国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx

二維垂直軸水輪機(jī)強(qiáng)迫振蕩水動(dòng)力性能分析

2015-08-30 09:22:40盛其虎周念福張學(xué)偉馬勇孫科
關(guān)鍵詞:包絡(luò)線水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩

盛其虎,周念福,張學(xué)偉,馬勇,孫科

(哈爾濱工程大學(xué)深海工程技術(shù)研究中心,黑龍江哈爾濱150001)

能源問(wèn)題不僅關(guān)系世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展,同時(shí)與地球生態(tài)環(huán)境、溫室效應(yīng)等有著密不可分的聯(lián)系,隨著傳統(tǒng)能源的枯竭,人類(lèi)對(duì)于可持續(xù)、無(wú)污染的新能源開(kāi)發(fā)需求刻不容緩。潮流能由于可持續(xù)、能量密度大、可預(yù)測(cè)、同時(shí)不占有陸地面積等優(yōu)勢(shì)受到青睞[1-3]。目前水輪機(jī)水動(dòng)力性能研究的主要方法有:流管法(BEM)[4]、渦方法[5]、基于平均雷諾數(shù)求解N-S方程的CFD(computational dynamic)方法[6-7]。與前兩種方法相比,CFD方法能夠提供詳細(xì)的流場(chǎng)信息[8]。

為更加真實(shí)、準(zhǔn)確、快速地模擬水輪機(jī)水動(dòng)力性能,近年來(lái)研究者針對(duì)水輪機(jī)CFD數(shù)值模擬中動(dòng)邊界模型[9]、湍流模型[10]、三維效應(yīng)[11]、水輪機(jī)非定常旋轉(zhuǎn)[12]、自由液面效應(yīng)[13]等方面開(kāi)展了大量工作。漂浮式是立軸潮流能水輪機(jī)的重要載體形式,可布置于水面以上,維護(hù)檢修方便。實(shí)際上,漂浮式潮流能電站處于海洋環(huán)境中時(shí),水輪機(jī)與載體平臺(tái)將產(chǎn)生搖蕩運(yùn)動(dòng),而水輪機(jī)水動(dòng)力主要和葉片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),在實(shí)際海況條件下,漂浮式立軸水輪機(jī)的水動(dòng)力特性將發(fā)生變化,而目前已有的潮流能水輪機(jī)研究未有對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析。同時(shí)水輪機(jī)在波浪中的搖蕩運(yùn)動(dòng)具有周期性,本文建立漂浮式潮流能水輪機(jī)在均勻來(lái)流中的周期性強(qiáng)迫振蕩運(yùn)動(dòng)模型,以分析漂浮式潮流能水輪機(jī)波浪中的水動(dòng)力特性。

由于立軸水輪機(jī)葉片弦長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),水輪機(jī)的輻射和繞射效應(yīng)較小。本文采用水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與水輪機(jī)強(qiáng)迫振蕩運(yùn)動(dòng)的組合模擬立軸水輪機(jī)的縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng),并用CFX軟件對(duì)均勻來(lái)流中二維垂直軸水輪機(jī)強(qiáng)迫振蕩時(shí)的流場(chǎng)和水動(dòng)力特性進(jìn)行了分析,闡明了不同振蕩圓頻率、幅值、速比等參數(shù)對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力的影響規(guī)律。

1 立軸水輪機(jī)強(qiáng)迫振蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

在模擬時(shí),不考慮自由液面及三維效應(yīng)影響,采用二維模型模擬水輪機(jī)在均勻來(lái)流環(huán)境中強(qiáng)迫振蕩的水動(dòng)力性能。計(jì)算模型參數(shù)如表1所示。CFX數(shù)值模擬時(shí)需要同時(shí)模擬水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振蕩運(yùn)動(dòng),因此將整個(gè)流域分為3個(gè)子域:振蕩域、旋轉(zhuǎn)域、靜止域,計(jì)算域劃分如圖1(a)所示,旋轉(zhuǎn)域和靜止域、振蕩域之間通過(guò)交界面連接。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用滑移網(wǎng)格,水輪機(jī)按照a=Asin(ωt)進(jìn)行強(qiáng)迫振蕩,A為強(qiáng)迫振蕩幅值,ω為強(qiáng)迫振蕩圓頻率,強(qiáng)迫振蕩通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)。整個(gè)流域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,湍流模型采用SST湍流模型。數(shù)值模擬邊界條件如圖1(b)所示。

表1 水輪機(jī)模型參數(shù)表Table 1 Principal parameters of the test turbine

圖1 計(jì)算模型及邊界條件設(shè)置Fig.1 The model and the settings of boundary conditions

2 計(jì)算結(jié)果分析

為方便后續(xù)分析,建立計(jì)算坐標(biāo)系如圖2所示。整體坐標(biāo)系O-XYZ,選取水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,來(lái)流方向?yàn)閄軸為縱蕩方向,垂直于來(lái)流的方向?yàn)閅軸,為橫蕩方向;局部坐標(biāo)系o-xyz選取葉片固定軸為原點(diǎn)o,x軸正方向背向于水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸中心,y軸沿葉片固定軸軌跡線切線方向。

假設(shè)在均勻來(lái)流V中,水輪機(jī)將以恒定的旋轉(zhuǎn)角速度ω1,繞轉(zhuǎn)軸中心O旋轉(zhuǎn),葉片固定軸o的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示的圓形虛線,其半徑為R。葉片1的起始位置在X軸正方向,即θ=0的位置。為了方便分析,定義無(wú)量綱參數(shù)如下:

式中:ρ為介質(zhì)密度;λ為葉尖速比;b為葉片展長(zhǎng);CFx為水輪機(jī)推力系數(shù);Fx為水輪機(jī)推力,沿整體坐標(biāo)系X軸方向;CFy為水輪機(jī)側(cè)向力系數(shù);Fy為水輪機(jī)側(cè)向力,沿整體坐標(biāo)系Y軸方向;CT為水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù);T主軸轉(zhuǎn)矩;CP為能量利用率;P為水輪機(jī)功率。

圖2 計(jì)算模型坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system of model

2.1 流場(chǎng)特性分析

當(dāng)水輪機(jī)垂直來(lái)流方向上橫蕩時(shí)渦量云圖如圖3所示,水輪機(jī)尾跡漩渦帶在垂直來(lái)流方向上來(lái)回?cái)[動(dòng),形成類(lèi)似卡門(mén)渦街的尾跡??v蕩時(shí),水輪機(jī)尾跡漩渦帶渦間距隨著水輪機(jī)振蕩運(yùn)動(dòng)變化:當(dāng)水輪機(jī)沿來(lái)流反方向運(yùn)動(dòng)時(shí),渦間距增加;而當(dāng)水輪機(jī)沿來(lái)流方向運(yùn)動(dòng)時(shí),渦間距減小,水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)至尾跡發(fā)展區(qū)域,此時(shí)葉片與尾跡間的干擾加劇,水輪機(jī)半徑范圍內(nèi),流場(chǎng)紊亂。當(dāng)水輪機(jī)振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí),葉片相對(duì)速度還包括水輪機(jī)振蕩速度,葉片相對(duì)速度具有較大的波動(dòng)。

圖3 水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)流場(chǎng)渦量分布云圖Fig.3 The contour of vortex distributions when the turbine works

2.2 水輪機(jī)受力分析

水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi),主軸的瞬時(shí)載荷呈周期性波動(dòng),波動(dòng)頻率與葉片數(shù)有關(guān)。水輪機(jī)載荷變化及波動(dòng)對(duì)水輪機(jī)葉片及輪輻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命具有重要影響,直接關(guān)系到水輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的安全及穩(wěn)定性能。

圖4 水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)受力時(shí)歷曲線Fig.4 The history data of hydrodynamic force coefficient when the turbine has oscillation

在均勻來(lái)流中僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)水輪機(jī)受力時(shí)歷曲線如圖4(a)、(b)所示,水輪機(jī)受力按照旋轉(zhuǎn)頻率波動(dòng),受力峰值基本上不發(fā)生改變,因此峰值包絡(luò)線近似為一條平坦的直線。圖4(c)、(d)顯示了模型水輪機(jī)按照規(guī)則頻率強(qiáng)迫縱蕩時(shí)水輪機(jī)的受力曲線,此時(shí)受力峰值發(fā)生明顯波動(dòng)。將水輪機(jī)受力峰值連接為包絡(luò)線,峰值包絡(luò)線按一定頻率規(guī)則波動(dòng),包絡(luò)線下水輪機(jī)受力仍按旋轉(zhuǎn)頻率波動(dòng)。因此水輪機(jī)受力峰值包絡(luò)線的變化將代表著水輪機(jī)振蕩運(yùn)動(dòng)受力變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)縱蕩對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響規(guī)律同樣適用于橫蕩,接下來(lái)主要針對(duì)模型水輪機(jī)縱蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,為方便描述,受力分析圖表中只給出峰值包絡(luò)線,同時(shí)計(jì)算中水輪機(jī)推力系數(shù)在零值附近,下包絡(luò)線波動(dòng)幅值基本為零,因此后文中對(duì)推力系數(shù)的下包絡(luò)線也不再進(jìn)行分析。

2.2.1 振蕩圓頻率對(duì)水輪機(jī)受力影響

假設(shè)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中水輪機(jī)隨波浪頻率同頻振蕩,因此選取振蕩圓頻率在常見(jiàn)波浪頻率范圍內(nèi),本文選取振蕩圓頻率 ω =0.6、1.0、1.4 rad/s,其峰值包絡(luò)線變化與水輪機(jī)不振蕩時(shí)包絡(luò)線對(duì)比如圖5。水輪機(jī)振蕩時(shí),受力峰值包絡(luò)線按照振蕩圓頻率以水輪機(jī)不振蕩時(shí)受力峰值為基線上下波動(dòng),且頻率越高,包絡(luò)線波動(dòng)幅值越大,波動(dòng)幅值與頻率近似為線性關(guān)系。在振蕩圓頻率ω=1.4 rad/s時(shí),水輪機(jī)受力峰值包絡(luò)線波動(dòng)幅度能夠達(dá)到水輪機(jī)不振蕩時(shí)峰值的80%。因此在實(shí)際海洋環(huán)境中當(dāng)遭遇高頻波浪時(shí),水輪機(jī)受力將進(jìn)行高頻率、高幅值波動(dòng),此時(shí)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)性能將經(jīng)受考驗(yàn)。另外,當(dāng)振蕩圓頻率與潮流電站的浮體平臺(tái)固有頻率等相近時(shí)的水動(dòng)力需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖5 水輪機(jī)受力包絡(luò)線與振蕩圓頻率變化關(guān)系Fig.5 The envelop of turbine force coefficient vs.time at different oscillation frequencies

2.2.2 振蕩幅值對(duì)水輪機(jī)受力影響

保持水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率和振蕩圓頻率不變,改變其振蕩幅值,得到水輪機(jī)推力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)如圖6。

圖6 水輪機(jī)受力包絡(luò)線與振蕩幅值變化關(guān)系Fig.6 The envelop of turbine force coefficient vs.time at different oscillation amplitudes

僅改變振蕩幅值時(shí),水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)相位與振蕩相位之間關(guān)系保持不變,水輪機(jī)受力峰值包絡(luò)線波動(dòng)頻率相同,而波動(dòng)幅值近似線性增加,在振幅達(dá)到兩米時(shí)水輪機(jī)推力系數(shù)峰值上包絡(luò)線波動(dòng)接近4,是不振蕩時(shí)峰值的兩倍。在實(shí)際潮流電站中水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)與浮體平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是相互耦合的,因此在潮流電站的設(shè)計(jì)中盡可能減小運(yùn)動(dòng)幅度對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)非常有利的。

2.2.3 速比對(duì)水輪機(jī)受力影響

一般地不考慮水輪機(jī)振蕩時(shí)受力將隨速比增大而增大,但其包絡(luò)線接近一條直線。

圖7 水輪機(jī)受力包絡(luò)線與旋轉(zhuǎn)速比變化關(guān)系Fig.7 The envelop of turbine force coefficient vs.time at different tip-ratios

圖7顯示了在相同的振蕩圓頻率和振蕩幅值時(shí)改變水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)的水輪機(jī)受力峰值包絡(luò)線。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率改變時(shí),包絡(luò)線波動(dòng)周期不變,且包絡(luò)線波動(dòng)幅值變化較小。

2.3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩分析

水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)自于葉片切向力,圖8給出了水輪機(jī)在縱蕩情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩峰值包絡(luò)線,可以看出水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線的變化規(guī)律與上述分析的水輪機(jī)受力曲線規(guī)律基本相同。水輪機(jī)振蕩時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值基本不變,但水輪機(jī)振蕩時(shí)轉(zhuǎn)矩系數(shù)具有更大的波動(dòng),將影響主軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命,這對(duì)控電系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)具有重要影響。

圖8 水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)上包絡(luò)線與振蕩幅值變化關(guān)系Fig.8 The upper envelop of turbine torque coefficient vs.time at different oscillation frequencies

5 結(jié)論

本文對(duì)二維垂直軸水輪機(jī)均勻來(lái)流中強(qiáng)迫振蕩時(shí)水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析,研究結(jié)果表明:

1)水輪機(jī)在振蕩情況下,流場(chǎng)發(fā)生顯著變化,橫蕩時(shí)產(chǎn)生類(lèi)似卡門(mén)渦街的尾跡,縱蕩時(shí)尾渦間距發(fā)生變化。

2)水輪機(jī)振蕩時(shí),水輪機(jī)載荷波動(dòng)加大,受力峰值包絡(luò)線按照振蕩圓頻率規(guī)則波動(dòng)。水輪機(jī)振蕩圓頻率增加時(shí),水輪機(jī)受力包絡(luò)線波動(dòng)頻率和幅值增大;同時(shí)峰值包絡(luò)線幅值與振蕩幅值成線性關(guān)系,而水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)包絡(luò)線波動(dòng)頻率影響較小。

3)振蕩對(duì)水輪機(jī)平均轉(zhuǎn)矩影響不大。

4)水輪機(jī)具有搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí),特別在高頻率、大幅值振蕩工況下,其載荷及轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的較大波動(dòng),對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和疲勞壽命、控電系統(tǒng)穩(wěn)定性等產(chǎn)生較大的影響,在潮流電站設(shè)計(jì)中需要得到考慮。

[1]ROURKE O F,BOYLE F,REYNOLDS A.Tidal energy update 2009[J].Applied Eenergy,2010,87(2):398-409.

[2]WANG S,YUAN P,LI D,et al.An overview of ocean renewable energy in China[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(1):91-111.

[3]LI D,WANG S,YUAN P.An overview of development of tidal current in China:energy resource,conversion technology and opportunities[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010,14(9):2896-2905.

[4]BATTEN W,BAHAJ A S,MOLLAND A F,et al.The prediction of the hydrodynamic performance of marine current turbines[J].Renewable Energy,2008,33(5):1085-1096.

[5]LI Y,CALISAL S M.A discrete vortex method for simulating a stand-alone tidal-current turbine:modeling and validation[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2010,132(3):1-9.

[6]CHOI H J,ZULLAH M A,ROH H W,et al.CFD validation of performance improvement of a 500 kW Francis turbine[J].Renewable Energy,2013,54(SI):111-123.

[7]李志川,肖鋼,張理,等.CFD技術(shù)在潮流能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù),2013(1):36-39.LI Zhichuang,XIAO Gang,ZHANG Li,et al.Application of CFD in the design of tidal current generating device[J].Applied Energy Technology.2013(1):36-39.

[8]SHENG Qihu,KHALID S S,XIONG Zhimin,et al.CFD Simulation of fixed and variable pitch vertical axis tidal turbine[J].Journal of Marine Science and Application,2013,12(2):185-192.

[9]孫科.豎軸H型水輪機(jī)及導(dǎo)流罩流體動(dòng)力性能數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008:44-78.SUN Ke.Numerical simulation on fluid dynamic performance of H-shaped vertical axis turbine and duct[D].Harbin:Harbin Engineering University,2008:44-78.

[10]李志川.垂直軸潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力特性數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011:71-76.LI Zhichuan.Numerical simulation and experimental study on hydrodynamic characteristic of vertical axis tidal turbine[D].Harbin:Harbin Engineering University,2011:71-76.

[11]LI Y,CALISAL S M.Three-dimensional effects and arm effects on modeling a vertical axis tidal current turbine[J].Renewable Energy,2010,35(10):2325-2334.

[12]張亮,李志川,劉健,等.垂直軸水輪機(jī)耦合數(shù)值模擬研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(S1):228-231.ZHANG Liang,LI Zhichuan,LIU Jian,et al.Coupled numerical simulation of vertical axis tidal turbine[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2011(S1):228-231.

[13]劉健.垂直軸自由變偏角水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011:65-66.LIU Jian.Experimental study and numerical simulation of passive variable-pitch vertical axis turbine[D].Harbin:Harbin Engineering University,2011:65-66.

猜你喜歡
包絡(luò)線水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩
平面曲線運(yùn)動(dòng)中的包絡(luò)線問(wèn)題探討
水輪機(jī)過(guò)流面非金屬材料的修復(fù)及防護(hù)
大中型水斗式水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
水輪機(jī)虛擬仿真動(dòng)畫(huà)制作的研究
拋體的包絡(luò)線方程的推導(dǎo)
卷取機(jī)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)優(yōu)化卷形
四川冶金(2018年1期)2018-09-25 02:39:26
一種用于故障隔離的參數(shù)區(qū)間包絡(luò)線計(jì)算方法
容錯(cuò)逆變器直接轉(zhuǎn)矩控制策略
水輪機(jī)過(guò)流部件改造與節(jié)能增效
基于分級(jí)變頻的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
沭阳县| 大悟县| 长宁区| 沙河市| 红安县| 永嘉县| 四子王旗| 灵寿县| 兴文县| 溧阳市| 武强县| 湘乡市| 巴楚县| 温泉县| 湖北省| 汉中市| 西青区| 晋江市| 南雄市| 德阳市| 海南省| 西吉县| 政和县| 珲春市| 河池市| 新田县| 和顺县| 镇远县| 滕州市| 乐清市| 峨山| 儋州市| 和顺县| 仁怀市| 布尔津县| 卢氏县| 图木舒克市| 张家界市| 城固县| 叙永县| 栾川县|