基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机的性能研究

摘要

海流能是指具有一定轨迹、流速平稳的海水运动时所包含的动能。海洋中的海流能储量丰富，开发利用潜力巨大，其获能装置及其性能研究，特别是改进海流涡轮机的现有技术，使其能充分利用低流速海流能是研究的热点和难点。单叶轮的水平轴海流涡轮机研究已经相对成熟，其优点是可以在商业流速下持续性的取得较高的获能效率，而Magnus效应涡轮机却可以在低流速条件下获能，研发利用Magnus效应的涡轮机，充分利用低速海流能具有极其重要的意义。 基于 Magnus 效应的共水平轴海流涡轮机获能装置由两部分组成，分别是上游的钝尾缘变截面弯扭叶片叶轮与下游的Magnus圆柱叶轮。课题组前期理论研究得到影响“一种基于Magnus效应的海流能发电装置”运行性能的关键，分别是Magnus叶轮在海流作用下的水动力学特性以及圆柱叶轮绕自身轴自转的旋转角速度，与Magnus 叶轮海流涡轮机有关的某些重要理论问题亟待深入研究与探讨。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机的水动力学特性。首先基于叶素动量理论对变截面弯扭叶片进行了设计和优化，通过CFD软件模拟分析得到优化叶片的各项水动力学特性，其次对旋转圆柱进行了模拟分析，得出Magnus圆柱叶轮的受力和获能特性，然后将钝尾缘变截面弯扭叶片叶轮与 Magnus 圆柱叶轮结合起来，形成基于 Magnus 效应的共水平轴海流涡轮机。通过Fluent模拟之后的对比分析，得出性能最佳的获能结构。 本文研究了Magnus效应共轴双叶轮海流涡轮机上下游叶轮的受力、获能特性，分析了影响Magnus效应共轴双叶轮海流涡轮机水动力学特性的一些主要因素，对其参数进行了优化配置。本文研究为基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机在海流发电工程中的应用奠定了基础研究，并为Magnus叶片与海流间耦合相互作用的动力学特性分析和数值模拟提供一定的方法，这为新型海流涡轮机获能装置的优化设计提供了一定的指导意义。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 海流能研究现状及发展动态

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 发展动态分析

1.3 本文研究的主要内容

第2章 Magnus效应与水平轴海流涡轮机的基本理论

2.1 Magnus效应原理

2.2 水平轴海流涡轮机基本理论

2.2.1 贝茨动量理论

2.2.2 叶素理论

2.2.3 叶素–动量理论

2.2.4 翼型介绍

2.3 本章小结

第3章 Magnus海流涡轮机上游叶轮的水动力学特性

3.1 引言

3.2 翼型参数设计

3.3 钝尾缘变截面弯扭叶片叶轮数值模型

3.3.1 Magnus海流涡轮机上游叶片设计

3.3.2 Magnus海流涡轮机上游叶轮物理模型

3.3.3 边界条件设定

3.4 控制方程

3.5 变截面弯扭叶片叶轮水动学特性结果分析

3.6 本章小节

第4章 Magnus圆柱叶轮的水动力学特性及效率研究

4.1 引言

4.2 模型与网格验证

4.2.1 几何模型与边界条件

4.2.2 计算模型与网格划分

4.3 模拟结果与分析

4.3.1 自转圆柱升力、阻力系数结果与分析

4.3.2 Magnus圆柱水动力特性模拟结果与分析

4.4 本章小结

第5章 基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机水动力特性

5.1 引言

5.2 计算模型

5.3 模拟结果及数据分析

5.3.1 Magnus效应共轴双叶轮流场及分析

5.3.2 Magnus效应共轴双叶轮轴向推力分析

5.3.3 Magnus效应共轴双叶轮获能分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢