垂直轴水轮机自由液面效应的数值模拟

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文垂直轴水轮机自由液面效应的数值模拟硕士研究生：邵方凯指导教师：盛其虎副教授学科、专业：力学论文主审人：孙科副教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文垂直轴水轮机自由液面效应的数值模拟硕士研究生：邵方凯指导教师：盛其虎副教授学位级别：工学硕士学科、专业：力学所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationforDegreeofM.EngNume

2、ricalsimulationofthefreesurfaceeffectforVerticalAxisTidalCurrentTurbineCandidate:ShaoFangkaiSupervisor:AssociateProShengQihuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicsDateofSubmission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUnivers

3、ity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家

4、有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日垂直轴水轮机自由液面效应的数值模拟摘要传统的能源结构不仅在储量上日益减少而且带来了不可忽视的环境破坏，发展

5、新能源是人类社会文明发展的重要保证，而潮流能作为一种储量巨大且稳定的能源，具有重要研究价值。将潮流能转化为机械旋转动能的水轮机就受到国内外专家学者的研究。水轮机的各个类型中，漂浮式垂直轴水轮机有巨大优势，体现在来流方向可任意，且载体结构施工维修简单。目前潮流能水轮机的性能研究中，主要工况是简化为均匀来流无限水深下的探究。但在实际水轮机工作环境下，涉及到自由液面浸没深度的施工选择和波浪对水轮机的性能影响，且之前的研究都采用二维代替三维的方法，忽略了叶片端部梢涡的情况。因此本文采用三维水轮机实验尺寸进行研究，且加入自由液面的影响，最后还进行水轮机在波浪

6、下的性能探究。首先，为了分析自由液面是否能影响到水轮机的性能，本文建立了三维叶片在无限水深、自由液面、规则波下三种工况下的均匀来流中周期性旋转模型，使用了滑移网格的模型模拟叶片在旋转中的受力情况，分析了自由液面对水轮机受力及功率的影响；其次，在静水波的情况下分析了不同浸没深度对水轮机受力及功率的影响；最后进行造波，研究水轮机在一阶规则波下的运动受力和功率情况，分析波浪的周期和波幅对水轮机性能的影响规律。CFD模拟的数值表明：自由液面的存在会在低速比下增加水轮机的功率，高速比会降低水轮机的功率；波浪的存在会降低水轮机的功率，对水轮机的平均受力没有影响

7、，但会增大水轮机的受力波动幅值。波浪波幅的增大会降低水轮机的效率。波浪周期的增大也会降低水轮机的效率。结论的总结表明本文的研究成果对漂浮式垂直轴水轮机在真实潮流环境下的设计和施工具有重要指导意义，为垂直轴水轮机的理论研究进一步奠定了基础。关键词：垂直轴水轮机；自由液面；CFD数值模拟；规则波；载荷分析。垂直轴水轮机自由液面效应的数值模拟AbstractEnvironmentaldisruptioncausedbythedecreasingreservesoftraditionalenergystructureprompteddevelopingne

8、wenergyresourcestobecametheessentialassuranceforhumansociety.