基于格子Boltzmann方法的海流能水轮机翼型叶片水动力特性研究

【摘要】：各种形式的水轮机从形式上看各不相同,换能效果也不相同。翼型叶片水动力特性分析是水轮机参数优化的工作基础。通过水轮机转子翼型叶片水动力学研究,设计好的转子形式,对其参数进行优化,对于提高水轮机的换能效率有重要意义,但由于目前海流能发电装置研究大多处于试验研究阶段,还不成熟,所以对于海流能发电水轮机转子的翼型叶片水动力学研究并不深入。 格子Boltzmann方法是近年逐渐发展完善的复杂流体系统建模和模拟的介观方法,具有算法简单、精度高、压力可以直接求解、能够模拟具有复杂边界条件的问题以及适合于并行计算等优点。格子Boltzmann方法自从提出后引起了国际上许多学者的关注,理论不断成熟,经过二三十年的发展,已经提出了多种模型,并且已经在很多流体力学应用领域取得了很大的成功,成为流体动力学问题仿真模拟的一类重要的方法。 本文将格子Boltzmann方法应用于海流能发电水轮机翼型叶片水动力特性的研究中,通过数值模拟和对比分析,验证了格子Boltzmann方法在该领域应用研究的可行性；对不同攻角、不同翼型叶片、不同雷诺数等条件下的翼型绕流流场进行了模拟,处理计算数据并绘制了相应流线图和水动力特性曲线,通过对比归纳出不同翼型参数和外界条件下翼型水动力特性的变化趋势,提出了种优化翼型水动力特性的基本实现方法,为海流能发电水轮机翼型叶片的优化提供了思路；针对格子Boltzmann方法在海流能发电水轮机翼型叶片的应用开发了一个翼型分析的实时计算软件,程序经过优化运算效率较高,可以作为水轮机翼型叶片的模拟分析工具；另外采用格子Boltzmann方法研究了导流罩对提高翼型水轮机转子发电效率的影响,通过对分析比,总结不同轮廓、外形尺寸和安装间距等对导流罩增速效果的影响规律,提出了一种提高导流罩增速效果的措施,为提高翼型水轮机转子的效率提供了理论依据；同时推导了格子Boltzmann方法在单位转换方面的理论知识,通过无量纲变换得到了单位转换的公式,为后续的相关研究工作奠定了基础,提供了部分有价值的参考和指导资料,为格子Boltzmann方法的完善和拓展进行了有益的探索。 【关键词】：格子Boltzmann方法 翼型叶片 水轮机 水动力分析 数值模拟
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK730.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符号说明8-13
• 1 前言13-20
• 1.1 研究背景13-17
• 1.1.1 海流能利用现状13-14
• 1.1.2 海流发电水轮机翼型叶片14-15
• 1.1.3 LBM数值模拟介绍15-17
• 1.2 研究内容与方案17-18
• 1.3 研究意义18-20
• 2 LBM基本理论20-41
• 2.1 理论来源20-21
• 2.2 理论介绍21-39
• 2.2.1 基本方程21-25
• 2.2.2 网格划分25-26
• 2.2.3 边界条件26-31
• 2.2.4 LBM模拟过程31-32
• 2.2.5 LBM应用举例32-39
• 2.3 应用前景39-40
• 2.4 本章工作及结论40-41
• 3 基于LBM翼型绕流模拟41-57
• 3.1 格子单位转换41-49
• 3.1.1 研究现状41-44
• 3.1.2 理论推导44-49
• 3.2 翼型绕流模拟49-56
• 3.2.1 模型建立49-51
• 3.2.2 关键技术51-53
• 3.2.3 模拟结果53-56
• 3.3 本章工作及结论56-57
• 4 翼型叶片水动力特性分析与验证57-73
• 4.1 水动力特性基本参数57-58
• 4.2 LBM翼型特性分析58-64
• 4.2.1 压强系数分布曲线58-59
• 4.2.2 升力阻力系数分布59-63
• 4.2.3 速度分布63
• 4.2.4 密度分布63-64
• 4.3 翼型叶片绕流模拟对比分析64-69
• 4.3.1 不同雷诺数64-65
• 4.3.2 不同翼型弯度65-67
• 4.3.3 不同翼型厚度67-69
• 4.4 分析对比结论69
• 4.5 可视化与速度优化69-72
• 4.6 本章工作及结论72-73
• 5 导流罩提高水轮机水动力特性研究73-79
• 5.1 导流罩作用73
• 5.2 LBM聚流效果分析73-78
• 5.2.1 导流罩的LBM模拟74-75
• 5.2.2 导流罩的对比分析75-78
• 5.3 本章工作及结论78-79
• 6 总结与展望79-82
• 6.1 本文主要研究工作79-80
• 6.1.1 主要研究工作79
• 6.1.2 主要研究结论79-80
• 6.2 本文主要创新点80-81
• 6.3 本文不足与研究展望81-82
• 参考文献82-87
• 致谢87-88
• 个人简历88-89
• 发表的学术论文89-90
• 附录90-91

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