發(fā)布時間：2020-05-14 17:16

【摘要】：隨著海洋資源的利用和開發(fā),潮流能成為繼太陽能、風能之后的又一新型清潔能源。目前,由于成本、可靠性、能量轉換效率等因素的制約,全球潮流能的研究大多處于實驗階段,其中潮流能發(fā)電成本居高不下是阻礙其商業(yè)化的最大原因,所以對于每一種潮流能發(fā)電裝置,能否提高其能量捕獲機構的轉換效率,使其達到最佳減速比,降低發(fā)電成本,成為其是否具有發(fā)展?jié)摿Φ年P鍵。本文從機組模塊化的理念出發(fā),深入分析潮流能—電能轉換機理,開發(fā)了基于帶輪-葉片傳動原理的新型海洋能發(fā)電裝置。通過應用計算機有限元模擬技術,建立葉片角度與能量收集效率之間的關系模型、入射箱體斜度與有效流速之間的關系模型,在三維場內對其進行流場模擬,研究流場內發(fā)生的物理現(xiàn)象及運動規(guī)律,綜合分析其迭代曲線、壓力分布、速度大小及其水流軌跡情況。并通過改變能量捕獲機構葉片的角度和入射箱體的斜度,研究其最優(yōu)參數(shù)范圍,為裝置的設計和制造提供理論依據(jù)和技術指導。論文首先對基于帶輪—活動葉片式的新型低潮流能裝置進行模型建立和理論研究。通過運用UG NX8.5三維建模技術對模型的工作原理和優(yōu)缺點進行分析,并對葉片擺角與潮流能收集效率關系模型和箱體結構入射角度與潮流增速關系模型進行研究,提出潮流能~電能轉換理論。然后研究計算流體力學CFD的理論基礎和ANSYS FLUENT有限元模擬技術的關鍵參數(shù)。通過分析流體流動的基本條件和計算流體力學區(qū)域離散化理念,對流體類型進行確定。并對ANSYS FLUENT有限元模擬技術的基本控制方程、湍流模型、邊界條件等關鍵參數(shù)進行研究,提出運用基于RNG k~ε湍流模型的流場對潮流能裝置進行有限元模擬計算。接下來運用ANSYS ICEM CFD網格劃分軟件和ANSYS Fluent有限元分析軟件對低潮流裝置的能捕機構葉片模型和入射箱體模型進行深入研究。通過ANSYS Fluent有限元分析軟件模擬流場環(huán)境,得出能捕機構葉片和入射箱體的迭代曲線圖、壓力云圖、水流速度矢量圖和水流軌跡圖,繼而對能捕機構葉片的受力狀態(tài)和入射箱體上水流速度的分布情況進行綜合分析。之后,對裝置的關鍵結構參數(shù)進行優(yōu)化研究。分別對能捕機構葉片在5°、15°、25°、35°、45°時的關系模型和入射箱體在10°、20°、30°、40°和50°時的關系模型進行流場模擬,得出葉片壓力分布隨葉片角度的變化規(guī)律,流體速度分布隨箱體角度的變化規(guī)律,進而分析出葉片擺角和箱體入射角度的最優(yōu)參數(shù)范圍。最后,對新型低潮流發(fā)電裝置進行試驗測試。通過分別對裝置的關鍵部件和整機裝置進行模擬和實物測試,建立能量轉化效率數(shù)學模型,分析各參數(shù)與能量轉換效率的關系,進而得出其最優(yōu)參數(shù),為低潮流海洋能高效回收與利用裝置的設計提供了一定的借鑒和參考。
【圖文】：

充分開發(fā)潮流能資源，不僅是未來新能源的發(fā)展趨勢，也是國源戰(zhàn)略的重要一環(huán)[19-22]。海洋能裝備主要應用于發(fā)電，對于潮流能發(fā)電裝置影響其商業(yè)化道路的主運行成本居高不下，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其成本高于火力發(fā)電 5～10 倍左右影響其成本最重要的因素是潮流能裝置能量捕獲機構效率的高低，能捕機構計制造是決定一臺潮流能設備優(yōu)劣的關鍵。本論文就是結合目前我國海域情況計一種轉換效率高、發(fā)電功率大、環(huán)境適應性強、易于安裝回收的低潮流高收與利用裝置。并運用有限元的分析思想，對其的能捕機構葉片和入射箱體進行深入的研究，通過計算機模擬技術對流場進行建模、仿真和計算，并綜算結果進行多次計算機模擬實驗，分析出其最優(yōu)參數(shù)范圍，為設備的設計和提供依據(jù)和參考[23-27]。1.2 潮流能裝置能量轉換流程

圖 1.2 水平軸水輪機水平導流罩式水輪機，，如圖 1-3 所示，結構上在水輪機葉輪外部增加了一個近似圓柱形的導流罩，是水平軸水輪機的改進型，新加坡公司的 AS 系列水輪機和愛爾蘭 OpenHydro 公司的 Open Centre 就是導流罩水輪機的代表。導流罩最主要作用為聚能和導流，通過其聚集能量，使能捕葉片的能量轉換效率明顯提高，同時也使得水輪機葉輪工作環(huán)境得到一定的改善，葉片折損風險進一步降低。但是，高效的導流罩一般外形復雜，體積較大，設計和制造成本高，對材料的綜合性能要求也高，使海下安裝工作量和回收成本大大增加[37,38]。
【學位授予單位】：青島理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM612;P743

【參考文獻】

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本文編號：2663684