叶片式波力发电系统波能研究与流场数值模

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.01MB 75 页 15积分
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摘 要
20 世纪 70 年代发生的能源危机使人们清醒的认识到能源在经济和社会发展
中的重要作用，探寻清洁、安全可靠的可再生能源已经成为全球的共识。在此背
景下，世界上许多国家都在着手对海洋能的研究。我国海岸线约 1.8 万km，蕴藏
着丰富的海洋能资源，进入岸边的波浪能理论平均功率为 12.85×103MW[1]。开发
利用波浪能对于增加和改善能源供应，保护生态环境，促进经济社会可持续发展
具有重要意义。
目前世界上已有多种形式的波力发电装置，但对叶片式波力发电装置的研究
还比较少，这种波力发电装置的叶片形状、叶片长宽比以及叶片缝隙大小对叶轮
转矩的影响的相关报告也比较少。
针对以上问题，本文对波浪发电的历史现状作了系统研究，根据现有的叶片
式波力发电装置的雏形，仔细分析研究叶轮结构后，设计了长宽比不同的三种叶
片。每种叶片组成一组叶型，对每种叶型进行模拟。论文主要进行以下几个方面
的研究。
1.介绍了波浪运动特性，以及波力发电系统波浪能量的估算，对缝隙流的理
论作了一些阐述。
2.根据叶片式波力发电装置的原型，利用流体力学的基本原理，建立流道内
流体流动的动力学模型。
3.在相同来流速度下，通过计算得到叶型受力，研究同缝隙时不同叶型对叶
轮转矩的影响。
4.在相同来流速度下，通过计算得到叶型受力，研究同叶型时不同缝隙对叶
轮转矩的影响。
通过大量的数值模拟计算，在仔细分析数据的基础上，在本文中比较了不同
叶型受力，发现了在相同来流速度下，同缝隙不同叶型受力的影响特性，同叶型
时，比较了不同缝隙对同一叶型受力的影响。并且分析比较了不同叶型的叶片闭
合与开启的流场特性，发现：对于不同叶型，在同一来流速度时，所取平面的速
度矢量图的数值呈现一致规律，同一来流速度时，叶片长宽比和叶片缝隙对漩涡
区的状况有一定影响。最后对该类型的叶片式波力发电装置在今后的研究和设计
提出了一些的建议。
关键词：波力发电 叶型 叶片缝隙 叶轮转矩 漩涡区
ABSTRACT
Energy crisis in 1970s make people clearly realize that the energy is very
important in development of economy and society, searching for clean, safe and
reliable renewable energy sources has become a global consensus. In this context,
many countries are engaged in the research of ocean energy. The coastline of china is
about 18,000km, the resources of ocean energy is very rich. In the theory, average
power of shore wave energy is 12.85×103MW. The exploitation of wave energy has
great significance in improve energy supply, protecting the ecological environment and
promoting sustainable economic and social development.
Currently, there are various forms of wave power devices in the world, but there is
no research on the blade-type wave power device, also, there are no reports for the
relationship of the blade shape, the ratio of blade length and width, gap sizes of blades
with the impeller torque efficiency of this wave power device. The exploitation of
wave energy to increase and improve energy supply, protecting the ecological
environment and promoting sustainable economic and social development is of great
significance.
To solve the above problems, the author systematically studied the status history
of wave power devices, on the basis of existing prototype of wave power device, after
careful analysis of the structure of the impeller, the author designed a different aspect
ratio of three kinds of leaves, each kind of leaf constitute a kind of blade-type. This
paper is mainly for the following aspects.
1. The paper describes characteristics of wave motion and estimate wave energy for
wave power generation, then the gap theory was elaborated.
2. Establishing a model with the same experiment conditions, the simulated values are
compared with experiment data to verify the feasibility of the simulation.
3. Through calculating the force of blade-type to study the impacts of different
blade-types on torque for the same gap sizes in the same stream velocity.
4. Through calculating the force of blade-type to study the impacts of different gap
sizes on torque for the same blade-types in the same stream velocity.
By a large number of numerical simulation data, and based on careful analysis of
the data, the author compared the forces of different blade-types. Then discovered the
characteristics of impacts for the same gap and different blade-type in the same stream
velocity, did the comparison of force for different gaps to the same blade-type. Also
after analyze different flow characteristics of different blade-types, discovered that the
velocity vectors showed a consistent law in the same plane for different blade-types,
the strength of vortex was affected by the ratio of the length and width and gaps in the
same stream velocity. At last, put forward my own proposals to this kind device in the
future research and design.
Key Word：Wave power generation, blade-type, blade gap, impeller
torque, vortex area
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
§1.1 课题的意义.......................................................................................................1
§1.2 海洋能的分类及特点.......................................................................................1
§1.3 国内外研究现状...............................................................................................2
§1.3.1 固定式波能装置的典型形式.................................................................4
§1.3.2 漂浮式波能装置的典型形式.................................................................7
§1.4 本论文研究的内容.........................................................................................11
第二章 微幅波理论与缝隙流 ................................................................................... 14
§2.1 微幅波理论的基本方程.................................................................................14
§2.2 推进波的势函数.............................................................................................17
§2.3 波浪运动的特性.............................................................................................20
§2.3.1 水质点运动速度和加速度...................................................................20
§2.3.2 压强和波能...........................................................................................21
§2.4 波力发电中波浪能量的估算.........................................................................22
§2.5 平行平面缝隙流.............................................................................................24
§2.5.1 平行平面间流体运动的微分方程.......................................................24
§2.5.2 速度分布规律.......................................................................................27
第三章 叶片式波力发电装置的数值模型.................................................................30
§3.1 计算流体力学和软件的介绍..........................................................................30
§3.2 紊流模拟理论概述.........................................................................................31
§3.3 叶片式波力发电装置的叶型和叶片的结构尺寸.........................................33
§3.4 前处理—利用 GAMBIT 建立计算模型.......................................................35
§3.4.1 建立几何结构........................................................................................35
§3.4.2 网格生成及边界条件设置....................................................................38
§3.5 利用 FLUENT 进行仿真计算........................................................................ 41
§3.5.1 设置流体的物理物性及边界条件.....................................................41
§3.5.2 求解方法.............................................................................................41
第四章 同缝隙不同叶型的数值模拟.........................................................................42
§4.1 实验叶片大小时模拟结果与实验结果比较分析.........................................42
§4.2 同缝隙不同叶型的数值模拟.........................................................................44
§4.2.1 设置流体的物理物性及边界条件........................................................44
§4.2.2 求解方法.............................................................................................45
§4.3 结果显示及流场分析...................................................................................45
§4.3.1 同种缝隙不同叶型时模拟数据...........................................................45
§4.3.2 同缝隙不同叶型叶片闭合时流场分析...............................................47
§4.3.3 同缝隙不同叶型叶片开启时流场分析...............................................49
第五章 同叶型不同缝隙的数值模拟结果.................................................................55
§5.1 同叶型不同缝隙时模拟数据.........................................................................55
§5.2 同叶型不同缝隙时流场分析.........................................................................57
§5.3 不同来流速度叶片闭合和开启时的流场分析.............................................59
第六章 结论与展望.....................................................................................................63
§6.1 结论.................................................................................................................63
§6.2 对未来工作的展望.........................................................................................64
符号表.........................................................................................................................65
附 表.............................................................................................................................66
参考文献.........................................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................71
致 谢.............................................................................................................................72
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的意义
随着全球气候变暖、能源供应紧张，各国政府正积极采取有效措施减少二氧
化碳、臭氧、氧化亚氮等温室气体的排放量，同时加大可再生能源利用的力度。
可再生能源主要指太阳能、水能、风能、海洋能、地热能、生物能等，其中风能、
水能、太阳能已经得到一定的发展，并发挥了重要作用，尤其是水能在电力供应
中发挥着重要作用。就可再生能源开发利用受天气影响和对生态环境的影响而论，
其中最具潜力的可再生能源当推海洋能，这种能源不仅具有可观的能流密度、可
预见性，而且还可形成一定的发电规模。
海洋能具有可再生性，是巨大的绿色能源。利用海洋能发电受气候影响小，
不污染环境，不占用良田，实为利用价值高、潜力巨大的新能源。我国海洋能资
源十分丰富，可开发利用量达 10 亿kW 的量级，其中沿岸波浪能理论平均功率为
1285 万kW。国际能源组织（IEA）1994 公布的报告预测：目前，全世界有关波
浪能技术的专利已超过 1500 项[2]。国际能源组织（IEA）1994 公布的报告预测：
波浪能如果充分开发，最终可提供目前全球电力需要的 10%左右[3]。
因此，世界各主要海洋国家纷纷把目光转向蕴藏丰富能源的海洋，并不断加
大资金、科技投入，以期在开发利用海洋能的“争夺战”中抢得先机。我国作为能
源消费大国和海洋大国，如何有效利用绿色、可再生的海洋能已成为未来能源战
略的重要抉择。我国亟待加大对海洋能的开发利用，以缓解有限化石燃料资源和
环境保护要求的严峻挑战。
§1.2 海洋能的分类及特点[4-6]
海洋能通常是指海洋中所特有的、依附于海水的、可再生的清洁能源。即：
波浪能、潮汐能、海流能、海水温差能和盐差能。有人把陆上也有的海洋风能、
太阳能、海洋生物质能等也列入其中，称为海洋可再生能源。海洋能按储存形式
可分为：机械能，如波浪能、潮汐能、海流能、风能；物理化学能，如盐差能；
热能，如温差能、太阳能。
海洋能的特点 ：
叶片式波力发电系统波能研究与流场数值模拟
2
（1）能量密度低、但储量大、可以再生。
（2）能量随时空变化，但有规律可循。
（3）开发环境严酷，投资大，单位装机造价高，但无污染，不占用土地，可综合
利用。
表1-1 各类海洋能特性
能类
能量来源
富集区
能量要素
稳定性
开发
成本
波浪
能
由风、气压和水
的重力作用产生
北半球
两大洋东
侧
与波高的平方、波
浪的运动周期以
及迎波面的宽度
成正比
随机性的周期
变化，周期范围
1~10s
较高
潮汐
能
作用在地球表面
海水上的月亮和
太阳的引潮力产
生
45~55°N
大陆沿岸
与潮差的平方和
水库面积成正比
潮差和流速、流
向以半日、半月
为主的周期变
化，规律性很强
较高
海流
能
由海水温度、盐
度分布不均引起
的密度、压力梯
度或由潮汐导致
的有规律的海水
流动
北半球
两大洋西
岸
与流速的平方和
流量成正比
比较稳定
低
温差
能
由海洋表深层吸
收太阳辐射热量
的不同和大洋环
流径向热量输送
而产生
低纬度大
洋
与具有足够温差
海区的暖水量和
温差成正比
相当稳定
高
盐差
能
由淡水向海水渗
透形成的渗透压
产生
河海交界
处
与渗透压和入海
淡水量成正比
随入海水量的
季节和年际变
化而变化
高
§1.3 国内外研究现状
全世界对波浪能研究以英国投入力度最大[4]。从 1855 年到 1973 年，英国关
于波浪发电转换装置的专利已达到 340 项，在这个时期设计并测试了许多波浪能
转换装置，英国对开发波浪能的研究重视使其在 20 世纪 80 年代初就已成为世界
波浪能研究应用中心。1990 年和 1994 年分别在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成
了75kW 和2万kW 振荡水柱式和固定式岸基波力电站。此外，英国还致力于原
型波浪发电机组、威尔斯气动透平、导航浮标的波力透平发电机组及小型波能转
换器等的研究，它在波浪发电设备及其系泊系统方面取得了较多成果，并实现了
第一章 绪 论
3
商业化。
日本拥有 35000km 的海岸线，在波浪能研究与开发方面也十分活跃。从 20
世纪 80 年代中期至今，日本已建成 4座岸基固定式和防波堤式波力电站，单机容
量为 40～125kW。1994 年 6 月为日本机械行星株式会社研制了一台 WBF2.86×
2.2A 型后弯管波力发电浮标, 后又为该会社研制了一台与上述浮标配套的发电
机容量 450W 的 BD4501 型波力发电装置, 它们在日本三河湾进行了海上试验获得
成功：在地点相同, 波况相同, 尺寸相近条件下, 发电功率为日本自己研制的双
胴体后弯管浮标的 10 倍。它的 10 多家研究与开发机构既明确分工又相互协作，
并重视技术向生产应用转化，使日本在波浪能转换技术实用化方面走在了世界前
列。
挪威的科学家对波能转换原理与方法方面做出了重要贡献，由挪威工学院
（NTH）的Budal和Falnes 提出的相位控制是指控制波能吸收体运动的相位(如浮
体、水柱或摆体等)。通过相位控制使吸能体对入射波动产生有利干扰(吸能体运
动时造的波与来波合拍)，导致波浪在吸能装置附近聚集, 从而可用一个点吸收器
来吸收大面积的波能。实验表明, 相位控制下, 规则波中垂荡体的振幅可达入射
波高的10倍以上,实海况中的实验也表明了相位控制的效果显著。同时，由于相位
控制可以提高装置在大周期的性能,所以可利用相位控制原理设计尺寸较小的装
置，来得到大尺寸装置相当的能量，降低成本。相位控制利用的两个难点是:一是
如何预测海上的随机入射波浪, 二是随机波浪作用下非线性波能装置的实时最优
控制方法。点吸收原理应用的是透镜聚波及收缩波道式波能转换系统。对地形有
一定的要求，但是只要找到合适地点兴建储水库，收缩波道可用控制爆破法成形。
挪威350kW电站的喇叭口波道就是炸出来的, 造价也不很高。挪威人波能利用还提
出了Magnus-Budal效应, 即利用一个自转的垂荡体来吸收波能。挪威的岸式波力
电站技术已向商品化发展并打入国际市场。
我国从80年代开始主要对振荡水柱波能装置以及摆式波能装置等进行研究，
“九五”期间，在科技部科技攻关计划支持下，天津海洋所研建100kW摆式波力电站，
于1999年在青岛即墨大官岛试发电成功，广州能源研究所在广东汕尾研建100kW
岸式振荡水柱电站，于2000年建成发电。我国微型波浪发电技术已经成熟，小型
岸式波浪发电技术已进入世界先进行列，但波浪能开发的规模远小于挪威和英国，
小型波浪发电距实用化尚有一定距离。
波浪发电的形式依照装置的系锚方式不同可分为：固定式和漂浮式。固定式
波能装置主要有三种形式：振荡水柱式波能转换装置、摆式波能转换装置和收缩
波道式波能转换装置；漂浮波能装置的一些典型形式有：英国海蛇号波力发电装
摘要：

摘要20世纪70年代发生的能源危机使人们清醒的认识到能源在经济和社会发展中的重要作用，探寻清洁、安全可靠的可再生能源已经成为全球的共识。在此背景下，世界上许多国家都在着手对海洋能的研究。我国海岸线约1.8万km，蕴藏着丰富的海洋能资源，进入岸边的波浪能理论平均功率为12.85×103MW[1]。开发利用波浪能对于增加和改善能源供应，保护生态环境，促进经济社会可持续发展具有重要意义。目前世界上已有多种形式的波力发电装置，但对叶片式波力发电装置的研究还比较少，这种波力发电装置的叶片形状、叶片长宽比以及叶片缝隙大小对叶轮转矩的影响的相关报告也比较少。针对以上问题，本文对波浪发电的历史现状作了系统研究...

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