密实度对垂直轴潮流能水轮机性能及载荷的影响(附件)【字数：19976】
摘 要摘 要随着现代社会和经济的高速发展，能源资源的短缺越来越成为一项亟待解决的问题，而开发海洋资源、获取海洋能源是当下最为时兴的缓和能源结构性矛盾的良方。在众多可供开发的海洋能源中，潮流能作为一种稳定、高效、分布广泛的新能源，具有很好的开发前景。而众多开发利用海洋潮流能的方式中，垂直轴潮流能水轮机作为一种安全高效、结构简单、技术较成熟的方式受到各个海洋国家的青睐。我国作为一个海洋国家，也在积极研发改进垂直轴潮流能水轮机。本文首先综合概述国内外研究垂直轴潮流能水轮机的现状，介绍已经取得的一些理论、试验的成果，指出现阶段存在的一些问题；然后通过介绍垂直轴潮流能水轮机的研究模型，分析不同研究方法的利弊，最后选取以CFD数值模拟的方式，在前辈已有的研究实验的基础上，从密实度入手，通过改变垂直轴潮流能水轮机的密实度（改变叶片个数、叶片弦长、叶片转动半径），研究其对水轮机总体性能的影响，以期通过这种方式积累水轮机水动力性能参数，也为以后的更深入研究提供参考。关键词潮流能；垂直轴水轮机；密实度；数值分析；计算流体力学（CFD）。摘 要 1
目 录
摘 要 1
第1章 绪论 6
1.1 选题背景 6
1.1.1 能源供给 6
1.1.2沿海及海岛社会经济发展需求 6
1.1.3垂直轴水轮机研究的必要性 7
1.2潮流能特点及分布 7
1.2.1潮流能特点 7
1.2.2潮流能分布 8
1.3潮流能转换装置研究现状 9
1.3.1 国外研究现状 9
1.3.2 国内研究现状 11
1.4垂直轴水轮机水动力特性研究进展 13
1.4.1 理论研究进展 13
1.4.2 试验研究进展 13
1.4.3 存在的主要问题 14
1.5 论文主要工作内容 14
第2章 垂直轴水轮机水动力特性研究进展 15
2.1水轮机的基本工作原理及分类 15
2.1.1水轮机的基本工作原理 15
2.1.2水轮机分类及特点 16
2.2叶片和叶轮的运动及受力 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.2.1叶片的运动及受力 18
2.2.2叶轮的运动及受力 20
2.3本章小结 21
第3章 垂直轴水轮机CFD方法及流场特性研究 23
3.1垂直轴水轮机CFD数值求解方法 23
3.1.1基本控制方程 23
3.1.2 RANS方程 23
3.1.3湍流模型 24
3.1.4近璧区处理方法 26
3.1.5数值求解及离散方法 28
3.1.6动边界解决方案 29
3.2垂直轴水轮机CFD计算有效性验证 30
3.2.1计算算例 30
3.2.2网格的划分 31
3.2.3边界条件的设置 31
3.2.4数值计算结果 32
3.3垂直轴水轮机流场特性分析 33
3.3.2流场速度分布 33
3.3.3流场压力分布 33
3.3.4流场涡量分布 34
3.4本章小结 35
第4章 密实度对垂直轴水轮机水动力特性影响研究 36
4.1数值模拟 36
4.1.1计算模型 36
4.1.2网格划分 36
4.1.3边界条件设置 37
4.2数值计算结果 38
4.2.1 叶片数 38
4.2.2 弦长 39
4.2.3 直径 39
4.3流场特性分析 40
4.3.1 叶片数 40
4.3.2 弦长 42
4.3.3 直径 45
4.4本章小结 46
结 论（或结语） 48
致 谢 49
参 考 文 献 50
第1章 绪论
1.1 选题背景
当今世界，资源紧缺与环境污染是限制各国经济发展的重要因素。在这种制约下，各国政府对包括潮流能在内的各类海洋能源利用的重视程度变得空前高，并且在政策上给予了很大力度的支持，所以潮流能的开发利用（特别是发电）已经一跃成为新能源开发领域之中重要的分支[1]。对于潮流能开发，特别是利用其进行发电，潮流能水轮机是潮流发电系统中最为核心的部件，据不完全统计，在各种类型的潮流能水轮机中，垂直轴潮流能水轮机占到了三成以上，因此垂直轴潮流能水轮机在业界越发受到广大人士的关注。
1.1.1 能源供给
垂直轴潮流能水轮机主体沉没于水体中，通过潮流带动带有叶片的获能装置（即水轮机）旋转，再带动发电设备运行，是一种利用潮流能的装置。它将自然水体（江河湖海）中水流动所产生潮流的动能转化为轮机叶片的动能，再利用叶片的动能带动其他设备转化为其他形式的能量，从而完成对于潮流能的利用。潮流能是一种可稳定预测的、能量密度大的可再生绿色能源，不仅没有太阳能与风能供能不稳定的问题，而且由于主体沉没与海中不占用陆上空间。总体来讲，潮流能有很明显的优势：稳定可预测、能量密度大可集中利用、不占用人类活动空间、距离人类聚居区近输变电要求低。
1.1.2沿海及海岛社会经济发展需求
我国是一个拥有绵长海岸线的大国，传统化石能源较世界其他大国匮乏，特别是沿海及海岛地区，虽然我国所属海洋有一定的化石能源储备，但由于与邻近国家的地缘因素影响，现阶段短时间内无法实现大量高效绿色的商业化开采。这就导致沿海地区的有较大的能源供给缺口，特别是东海、南海的诸岛，由于严重依赖不稳定的太阳能，不仅造成当地生活极为不便，而且也成为海岛经济发展的障碍和瓶颈。沿海及海岛多为东南地区，外向型经济，人口密集，港口、工厂林立，对于电力的需求旺盛。风力发电和火力发电都有十分明显的弊端，或是不够稳定，或是污染较重，与可持续发展的国策相违背。而利用潮流能水轮机发电的设备则无上述弊端，可以获得大量持续而清洁能源，因此是沿海及海岛社会经济发展较为理想的能源。
1.1.3垂直轴水轮机研究的必要性
对比中外来讲，外国的垂直轴潮流能水轮机研究起步较早，而且这几年从未间断，越来越重视；我国则相对来说起步较晚，且基础薄弱，虽然近些发展迅速，但是与西方发达国家相比仍然有不小的差距。
对于我国国情来讲，我国现阶段有很大能源供给缺口，研究垂直轴潮流能水轮机并加以实际利用，有利于缓解这种供需问题；而且未来在经济发展最为迅速的沿海地区，能源供给缺口必然会更加大，发展垂直轴潮流能水轮机也是正当其时。
对于垂直轴潮流能水轮机本身的结构特点、性能特点来说，虽然其有诸多优点：获能方向与流向无关，不需要另外设计偏航机构；理论上速比较低，叶片不易产生空化和噪声；即使是制造工艺最为复杂的叶片，也结构简单，易于制造；发电系统和增速传动机构布置灵活，可与水轮机一起置于水下，也可放置于水上。但是，它也有十分明显的缺陷：水动力对主轴的载荷交变脉动，容易使其疲劳；尾流场复杂，功率平稳性差；叶片布置稀疏，利用效率较低；没有很好的自启动性，某种意义上需要设计安装启动设备。
目 录
摘 要 1
第1章 绪论 6
1.1 选题背景 6
1.1.1 能源供给 6
1.1.2沿海及海岛社会经济发展需求 6
1.1.3垂直轴水轮机研究的必要性 7
1.2潮流能特点及分布 7
1.2.1潮流能特点 7
1.2.2潮流能分布 8
1.3潮流能转换装置研究现状 9
1.3.1 国外研究现状 9
1.3.2 国内研究现状 11
1.4垂直轴水轮机水动力特性研究进展 13
1.4.1 理论研究进展 13
1.4.2 试验研究进展 13
1.4.3 存在的主要问题 14
1.5 论文主要工作内容 14
第2章 垂直轴水轮机水动力特性研究进展 15
2.1水轮机的基本工作原理及分类 15
2.1.1水轮机的基本工作原理 15
2.1.2水轮机分类及特点 16
2.2叶片和叶轮的运动及受力 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.2.1叶片的运动及受力 18
2.2.2叶轮的运动及受力 20
2.3本章小结 21
第3章 垂直轴水轮机CFD方法及流场特性研究 23
3.1垂直轴水轮机CFD数值求解方法 23
3.1.1基本控制方程 23
3.1.2 RANS方程 23
3.1.3湍流模型 24
3.1.4近璧区处理方法 26
3.1.5数值求解及离散方法 28
3.1.6动边界解决方案 29
3.2垂直轴水轮机CFD计算有效性验证 30
3.2.1计算算例 30
3.2.2网格的划分 31
3.2.3边界条件的设置 31
3.2.4数值计算结果 32
3.3垂直轴水轮机流场特性分析 33
3.3.2流场速度分布 33
3.3.3流场压力分布 33
3.3.4流场涡量分布 34
3.4本章小结 35
第4章 密实度对垂直轴水轮机水动力特性影响研究 36
4.1数值模拟 36
4.1.1计算模型 36
4.1.2网格划分 36
4.1.3边界条件设置 37
4.2数值计算结果 38
4.2.1 叶片数 38
4.2.2 弦长 39
4.2.3 直径 39
4.3流场特性分析 40
4.3.1 叶片数 40
4.3.2 弦长 42
4.3.3 直径 45
4.4本章小结 46
结 论（或结语） 48
致 谢 49
参 考 文 献 50
第1章 绪论
1.1 选题背景
当今世界，资源紧缺与环境污染是限制各国经济发展的重要因素。在这种制约下，各国政府对包括潮流能在内的各类海洋能源利用的重视程度变得空前高，并且在政策上给予了很大力度的支持，所以潮流能的开发利用（特别是发电）已经一跃成为新能源开发领域之中重要的分支[1]。对于潮流能开发，特别是利用其进行发电，潮流能水轮机是潮流发电系统中最为核心的部件，据不完全统计，在各种类型的潮流能水轮机中，垂直轴潮流能水轮机占到了三成以上，因此垂直轴潮流能水轮机在业界越发受到广大人士的关注。
1.1.1 能源供给
垂直轴潮流能水轮机主体沉没于水体中，通过潮流带动带有叶片的获能装置（即水轮机）旋转，再带动发电设备运行，是一种利用潮流能的装置。它将自然水体（江河湖海）中水流动所产生潮流的动能转化为轮机叶片的动能，再利用叶片的动能带动其他设备转化为其他形式的能量，从而完成对于潮流能的利用。潮流能是一种可稳定预测的、能量密度大的可再生绿色能源，不仅没有太阳能与风能供能不稳定的问题，而且由于主体沉没与海中不占用陆上空间。总体来讲，潮流能有很明显的优势：稳定可预测、能量密度大可集中利用、不占用人类活动空间、距离人类聚居区近输变电要求低。
1.1.2沿海及海岛社会经济发展需求
我国是一个拥有绵长海岸线的大国，传统化石能源较世界其他大国匮乏，特别是沿海及海岛地区，虽然我国所属海洋有一定的化石能源储备，但由于与邻近国家的地缘因素影响，现阶段短时间内无法实现大量高效绿色的商业化开采。这就导致沿海地区的有较大的能源供给缺口，特别是东海、南海的诸岛，由于严重依赖不稳定的太阳能，不仅造成当地生活极为不便，而且也成为海岛经济发展的障碍和瓶颈。沿海及海岛多为东南地区，外向型经济，人口密集，港口、工厂林立，对于电力的需求旺盛。风力发电和火力发电都有十分明显的弊端，或是不够稳定，或是污染较重，与可持续发展的国策相违背。而利用潮流能水轮机发电的设备则无上述弊端，可以获得大量持续而清洁能源，因此是沿海及海岛社会经济发展较为理想的能源。
1.1.3垂直轴水轮机研究的必要性
对比中外来讲，外国的垂直轴潮流能水轮机研究起步较早，而且这几年从未间断，越来越重视；我国则相对来说起步较晚，且基础薄弱，虽然近些发展迅速，但是与西方发达国家相比仍然有不小的差距。
对于我国国情来讲，我国现阶段有很大能源供给缺口，研究垂直轴潮流能水轮机并加以实际利用，有利于缓解这种供需问题；而且未来在经济发展最为迅速的沿海地区，能源供给缺口必然会更加大，发展垂直轴潮流能水轮机也是正当其时。
对于垂直轴潮流能水轮机本身的结构特点、性能特点来说，虽然其有诸多优点：获能方向与流向无关，不需要另外设计偏航机构；理论上速比较低，叶片不易产生空化和噪声；即使是制造工艺最为复杂的叶片，也结构简单，易于制造；发电系统和增速传动机构布置灵活，可与水轮机一起置于水下，也可放置于水上。但是，它也有十分明显的缺陷：水动力对主轴的载荷交变脉动，容易使其疲劳；尾流场复杂，功率平稳性差；叶片布置稀疏，利用效率较低；没有很好的自启动性，某种意义上需要设计安装启动设备。
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