基于格子Boltzmann方法的垂直轴潮流能水轮机水动力学性能模拟研究

摘要

海流能发电系统装置的关键组成部分是水轮机，水轮机的换能效果直接决定了海流能发电装置的能量转化率，所以水轮机的设计优化对提高海流能发电装置的能量转化率具有重要作用。而水轮机参数设计优化的基础工作和关键部分则是水轮机叶片数量的选择以及水轮机叶片翼型的水动力特性分析。
　　格子 Boltzmann方法是近年来发展起来的一种模拟复杂流体现象的介观方法，近年来引起了国际上各领域学者的广泛关注，随着格子Boltzmann理论的不断成熟，它的应用领域也不断扩大。相对于传统的数值模拟方法该方法具有明显的优点，如算法简单、精度高、可以直接求解压力、能够模拟复杂边界条件、以及易于并行计算等，随着应用领域的不断增多格子Boltzmann方法已逐渐发展成为仿真模拟流体动力学问题的重要的数值方法。但是常用的单松弛时间格子Boltzmann方法受松弛因子的影响数值稳定性较差，而采用多松弛时间的MRT模型则能很好的解决这个问题。
　　本文在对格子 Boltzmann方法的基础性理论做进一步研究分析的基础上将格子 Boltzmann方法应用于海流能发电水轮机翼型叶片的水动力特性分析和研究中，通过基于MRT的格子Boltzmann方法解决了格子Boltzmann方法数值稳定性差问题，并通过数值模拟和对比分析，验证了基于MRT的格子 Boltzmann方法的准确性，为格子Boltzmann方法应用于实际工程领域的海流能水轮机模拟奠定了基础；通过对不同雷诺数、不同攻角、不同厚度和弯度的翼型进行数值模拟和对比分析对叶片翼型水动力特性进行了研究，证明了MRT方法应用于大雷诺数流体数值模拟的可行性，并研究了不同翼型参数与翼型水动力特性的变化规律关系；还对整体的水轮机的绕流进行了模拟研究，模拟了不同雷诺数下的两叶片垂直轴水轮机的水动力学特性。

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目录

1 前言

1.1 研究背景

1.2研究内容与方案

1.3 研究意义

2 格子Boltzmann方法基本理论

2.1 格子Boltzmann方程的理论来源

2.2 格子Boltzmann 方法的基本方程

2.3 LBGK模型

2.4 MRT模型基本原理

2.5 MRT基本模型

2.6网格划分技术

2.7 边界处理方法

2.8 LBM与实际流场之间的单位转换

2.9 MRT方法的数值模拟验证

2.10 本章工作及结论

3基于MRT的垂直轴水轮机翼型绕流模拟

3.1翼型简介

3.2 NACA翼型介绍

3.3 翼型攻角在模拟中的实现

3.4 不同攻角下叶片翼型绕流的模拟分析

3.5 不同雷诺数下叶片翼型绕流的模拟分析

3.6 不同弯度下叶片翼型绕流的模拟分析

3.7 不同厚度下叶片翼型绕流的模拟分析

3.8 本章工作及结论

4 MRT 方法的垂直轴水轮机整体数值模拟与水动力学特性分析

4.1 水轮机的水动力特性参数

4.2 不同雷诺数下两叶片垂直轴水轮机水动力特性模拟分析

4.3 本章工作与结论

5 总结与展望

5.1 本文主要研究工作

5.2 本文主要创新点

5.3 本文不足与研究展望

参考文献