【期刊信息】

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刊名:水动力学研究与进展
主办:中国船舶科学研究中心
ISSN:1001-6058
CN:31-1563/T
语言:中文
周期:双月刊
被引频次:9745
数据库收录:
CSCD中国科学引文库(2017-2018);期刊分类:水利建筑

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一种双水翼耦合振荡式捕获潮流能发电系统的水

来源:水动力学研究与进展 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-03-02

作者:网站采编

关键词:

【摘要】能源问题是一个关系到国家经济和社会发展的重要问题。随着经济社会的发展,能源消耗越来越多,并带来了严重的环境污染问题。海洋蕴藏着大量的可再生能源,如潮流能[1]。因此

能源问题是一个关系到国家经济和社会发展的重要问题。随着经济社会的发展,能源消耗越来越多,并带来了严重的环境污染问题。海洋蕴藏着大量的可再生能源,如潮流能[1]。因此,世界上主要沿海国家,都投入了大量人力和物力进行海洋能研究。

目前,潮流能发电技术主要有三种能量捕获形式,包括水平轴叶轮技术、竖直轴叶轮技术和振荡水翼技术[2-4]。英国工程商业公司最早开发了振荡水翼潮流发电工程样机,最大发电功率为85kW,最大能量捕获效率为11.5%。加拿大拉瓦尔大学研发了2kW工程样机,采用双振荡水翼串联布置结构,能量捕获效率为30%[5]。哈尔滨工程大学徐建立等研制了实验用流水摆式发电机[6]。相关学者也系统研究了振荡水翼发电技术,研制了双水翼耦合振荡样机[7,8]。但是,在复杂流场下,双水翼耦合振荡系统的水动力和捕能性能仍有待于深入探讨,以使系统获得更高的捕能效率。

本文通过Fluent软件对双水翼振荡运动进行数值模拟,分析不同工况下的水动力和捕能性能,研究振荡频率、俯仰力矩、翼型等对双水翼水动力学性能的影响,探讨双水翼耦合捕获潮流能发电系统的参数设计。

1 潮流能发电双水翼捕能系统原理

潮流能发电双水翼捕能机构由两个水平布置的水翼组成(见图1)。在水流作用下,水翼完成俯仰运动和升沉运动。

图1 潮流能发电双水翼捕能机构注:数字均表示水翼。

水翼1的升沉运动与水翼2的俯仰运动,通过液压油路相连,实现联动。同样,水翼2的升沉运动与水翼1的俯仰运动实现联动。运动耦合联动可有效消除死点位置对振荡过程连续性的影响,从而可实现潮流能的稳定发电。

2 水翼流场有限元模型

采用商用CFD软件的Fluent软件包模拟计算绕振荡水翼的流场。图2为双水翼周围的计算流体域网格模型。

图2 双水翼的网格模型

3 双水翼捕能系统的动力特性

3.1 水翼参数

所分析的水翼翼型为NACA0015,弦长1 000mm,前缘距俯仰轴的长度Xp与水翼弦长c比值为Xp/c=1/3,如图3所示。

图3 水翼截面

水翼俯仰振幅为75°,俯仰-升沉相位差为90°,雷诺数Rec=500 000,当量振荡频率为:

其中,f为水翼振荡频率,f*为当量振荡频率,U∞为水流流速。

3.2 振荡频率的影响

图4为不同当量振荡频率不同时刻下双水翼周围的漩涡结构图,图中T为水翼振荡周期,t为时间变量。从图左到图右的 f*分别为0.10、0.12、0.14、0.16。从图上可以看出,当f*为0.10和0.12时,水翼发生边界层分离现象,造成漩涡脱落,进而引起水翼的升力、阻力、力矩、功率系数等发生波动;当f*为0.14和0.16时,未见明显的边界层分离和漩涡。

图4 双水翼周围的漩涡图

3.3 俯仰振幅、雷诺数和翼型的影响

选取4种典型的俯仰振幅进行分析。双水翼的扫掠高度分别为4.6c、4.8c、5.1c和5.2c时,双水翼的平均功率系数-CP分别为1.123 1、1.258 5、2.123 1和2.022 3。在弦长一定的情况下,俯仰振幅会直接影响能量捕获效率和功率。

雷诺数的数值决定于来流流速U∞、水翼弦长c、运动粘度 v,即 Rec=U∞c/v。雷诺数分别为 2.0×105、5.0×105、1.0×106和2.0×106时,水翼的捕能效率分别为38.28%、38.32%、39.15%和38.89%。雷诺数对双水翼平均功率系数和捕能效率影响较小。

对四种典型的水翼翼型进行比较分析。将翼型厚度从9%逐次增加到12%、15%和18%,捕能效率分别为38.07%、38.97%、41.63%和40.99%,出现先增后降的规律。

3.4 俯仰轴位置的影响

图5是当量振荡频率为0.06时,单水翼在3T/8时刻表面所受周围流场的压力。俯仰轴位置越靠近水翼前缘,水翼两个表面的压差越大,升力平均功率系数越大。

4 结论

当量振荡频率较低时,水翼边界层有分离现象,导致漩涡脱落,发生边界层分离现象,进而引起双水翼的升力、阻力、力矩、功率系数曲线波动。在弦长一定的情况下,俯仰振幅会直接影响能量捕获效率和功率。翼型的厚度对系统的各项系数影响较大。雷诺数对水翼捕能效率的影响较小。

图5 俯仰轴位置的影响

[1]韩家新.中国近海海洋:海洋可再生能源[M].北京:海洋出版社,2015.

[2]张亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展,2013(1):53-68.


文章来源:《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0302/536.html


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