横轴潮流能水轮机尾流速度特性研究

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1、横轴潮流能水轮机尾流速度特性研究WakeVelocityCharacteristicsofHorizontal-axisTidal-currentTurbine工程领域：船舶与海洋工程作者姓名：汪曙光指导教师：林伟豪教授企业导师：刘其民高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十二月中文摘要开展潮流能水轮机尾流研究对于潮流能的获取、周围流场的分析、载荷和流体性能的计算具有重要意义。本文采用理论和数值模拟研究相结合的方法，通过模拟经典实验建立了使用DES湍流模型模拟横轴水轮机尾流流场的数值方法；比较CFD数值模拟结果、

2、前人实验结果和Lam公式计算结果，研究了横轴水轮机尾流流场分布；提出了水轮机能量系数，研究了尖速比和密实度对横轴水轮机尾流流出速度的影响，计算了不同尖速比和密实度对应的能量系数，在Lam理论模型的基础上提出了考虑尖速比和密实度的尾流流出速度半经验公式。研究采用CFD三维数值计算模拟经典实验，研究网格密度和湍流模型对数值模拟结果的影响，提出了适用于横轴潮流能水轮机尾流预测的数值模拟方法：采用结构化网格、网格尺寸设定为3mm，使用滑移网格模型和DES-SA湍流模型进行CFD数值模拟。对比CFD数值模拟结果、前人实验结果

3、和理论预测结果分析了水轮机尾流轴向、切向和径向速度分量的分布，并根据DES-SA模型模拟结果给出了相关计算公式：尾流轴向速度沿轴向逐渐恢复，根据最小轴向速度的发生位置，水轮机尾流可以分为尾流发展区和尾流完成区。尾流发展区内，轴向速度沿径向的速度分布出现两个速度谷值，谷值发生位置即为最小轴向速度发生位置，尾流完成区内仅出现一个速度谷值且速度谷值出现在旋转轴处。切向速度是第二大速度分量，径向速度占比很小，切向速度和径向速度沿轴向逐渐衰减，两者沿径向的速度分布均出现两个速度峰值，峰值位置分别为最大切向速度和最大径向速度发

4、生位置。研究基于理论分析提出了尾流流出速度公式的改进方法：定义横轴水轮机能量系数，研究尖速比和密实度对水轮机尾流流出速度的影响，确定不同尖速比和密实度对应的能量系数，最终提出考虑尖速比和密实度的流出速度半经验公式。基于尾流流出速度改进方法，根据数值模拟结果计算了不同尖速比和密实度下水轮机能量系数，给出了能量系数随尖速比的变化曲线，根据能量系数计算结果，最终给出了考虑尖速比和密实度的流出速度半经验公式。本文还介绍了该公式在水轮机尾流流场预测以及横轴潮流能水轮机功率计算两方面的应用。关键词：横轴水轮机，CFD数值模拟，

5、尾流流场分布，流出速度公式IABSTRACTTheresearchofturbinewakeisimportantfortheacquisitionoftidalcurrent,theanalysisofflowfieldandtheresearchofloadandhydrodynamicperformance.Thethesisfocusesontheimprovementoftheeffluxvelocityequationofthewakeofhorizontal-axistidal-currentturb

6、ineusingboththeoreticalmethodandCFDsimulation.AnimprovedmethodfortheeffluxvelocityequationpresentedbyLamisproposed,consideringthelimitationoftheaxialmomentumtheory.TheDESmodelisusedforthethree-dimensionalsimulationofwake.BycomparingtheCFDresultswithpreviousexp

7、erimentalresultsandtheoreticalpredictions,thevelocitycharacteristicsofaxial,tangentialandradialvelocitycomponentarestudied.Theimprovedmethodfortheeffluxvelocityequationisthattheenergycoefficientofturbineisdefinedtostudytheinfluenceoftipspeedratioandsolidityont

8、heeffluxvelocity,andfinallysomesemi-empiricaleffluxvelocityequationswithdifferenttipspeedratioandsoliditycanbeproposedforthehorizontal-axistidal-currentturbine.Aclassicexperimentis