具有非线性PTO的波能装置水动力及获能分析

运用计算流体力学(CFD)方法对系泊双浮体波浪能装置的水动力及PTO(动力输出装置)非线性出力特性进行模拟和分析,利用VOF(流体体积分数)方法结合动网格及刚体求解技术模拟波浪生成及浮体运动,分析了不同速度指数的非线性动力输出装置下波浪能装置的水动力及获能特性,并与线性PTO的特性进行对比.在此基础上提出一种组合控制模式,可使波浪能装置在较大的PTO阻尼系数范围内维持较高的俘获宽度比.     

基于无奇异边界元法波物相互作用数值模拟

为了解决传统求解非线性波物相互作用计算量大和精度低的问题,采用时域二阶势流理论方法,对三维非波物相互作用问题进行研究.自由表面边界条件考虑到二阶边界值问题并采用IFBC(积分格式的自由面条件)来更新自由面上的速度势;在水底基于镜像的原理对格林函数进行修正;在远方辐射边界上采用水波透射器来外传绕射波;控制方程的离散求解是使用无奇异边界元方法来计算每个时间步上的流场分布.基于上述模型,对直立圆柱的二阶绕射问题进行了研究,得出的各阶力与解析解在低频和高频部分都符合得较好,可以用于分析类似非线性波物相互作用问题.     

潮流能自由变偏角水轮机自启动特性分析

垂直轴水轮机的启动特性是潮流能发电技术的关键问题之一.根据模型试验技术,测量潮流能自由变偏角水轮机转速和转矩在启动过程中的变化规律.基于黏性CFD数值模拟方法,监测该水轮机水动力转矩、负载转矩、叶片偏角、叶片切向力等参数在启动过程中的变化规律.通过分析上述运动参数与动力参数之间的相互作用探讨该水轮机启动特性.研究结果表明:自由变偏角水轮机由于能够迅速调整叶片偏角,因此可以改善水轮机启动过程的总体水动力性能;转矩-速比特性决定该水轮机启动过程经历起步、加速和渐进稳定3个阶段;当发生超载或者受到波浪影响时,水轮机将从渐进稳定段进入不能稳定运行的加速段,继而发生快速停机现象.     

受迫横摇运动浮式立轴叶轮的水动力性能分析

将浮式垂直轴叶轮在波浪中运动的水动力学问题简化为其在均匀流中受到强迫摇荡运动.通过二次开发ANSYS-CFX软件建立了这种强迫摇荡的水动力学模型,计算了垂直轴叶轮绕自身主轴旋转的同时发生单自由度受迫横摇运动时的水动力性能,分析了不同受迫横摇运动频率对叶轮推力和侧向力的影响,通过对计算的推力和侧向力进行傅里叶级数展开并进行最小二乘法拟合,得到了与水轮机受迫横摇运动速度和加速度相关的阻尼和附加质量傅里叶级数系数.计算结果表明:受迫横摇运动下的叶轮效率、推力和侧向力曲线的上下包络线明显按照横摇频率发生周期性波动;随着横摇频率的增加,推力和侧向力系数包络线波动幅值会随之增大,但平均值几乎不变;不同横摇频率下,在推力中阻尼项有较大的占比,而在侧向力中阻尼力和附加质量力几乎相当.浮式立轴叶轮在波流作用下的摇荡运动对潮流能装置的结构强度和疲劳特性有很大影响.研究结果对波流作用下的浮式潮流能装置水动力特性的研究有较大的工程和学术意义.     

变偏角垂直轴潮流能水轮机纵荡运动水动力分析

采用水轮机旋转运动与强迫纵荡运动的组合模拟水轮机的波浪运动响应,并应用ANSYS CFX软件对均匀来流中水轮机强迫纵荡时的流场和水动力特性进行分析,研究不同纵荡频率和纵荡幅值对水轮机水动力的影响规律.研究表明:与水轮机在均匀来流环境中仅做旋转运动相比,纵荡使水轮机尾涡间距发生疏密变化;水轮机水动力载荷瞬时值的峰值包络线均值产生较大波动,波动频率为水轮机纵荡频率,波动幅值随纵荡频率和纵荡幅值的增加而增加;载荷波动范围的最大值随纵荡频率和纵荡幅值的增加逐渐增加,而最小值却逐渐减小.研究结果可为潮流电站电能输出控制系统及水轮机结构强度校核提供参考.     

潮流能水平轴水轮机支撑立柱干扰研究

基于全三维CFD数值模拟方法,通过改变支撑立柱的截面形状以及立柱前缘到叶轮旋转平面的距离,研究支撑立柱对水轮机水动力载荷与性能的干扰机理和影响规律.研究表明:立柱的干扰使水轮机平均能量利用率有所下降,最大能使水轮机平均能量利用率下降2%;对水轮机的瞬时性能有明显的影响,瞬时载荷产生显著波动.水轮机的能量利用率及载荷计算结果均与实验结果符合较好.     

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.     

无奇异边界元法精度分析

采用无奇异边界元法将传统常值面元法中原本直接布置在流体计算域表面网格中心上的奇点移至计算域外部,实现无奇异化.为了分析无奇异边界元法的精度,以类似于经典的圆球绕流为例,对去奇异关键参数进行了详细分析,并将数值模拟结果与文献中解析解进行了对比.研究发现无奇异边界元法可以大幅度提高流场在形状突变处的速度分布精度.