表面不平整突体升坎水力特性与海流能转换器的试验研究

【摘要】：本学位论文分为两部分内容,一部分为表面不平整突体升坎水力特性的研究,另一部分为海流能转换器的研究。 随着世界在建或待建的泄洪建筑物高度的增加,高速水流空化空蚀成为水利界普遍关注的问题。受施工条件等客观因素限制,在溢流坝、泄洪洞、陡槽等泄洪建筑物中普遍存在不平整突体,高速水流流经不平整突体时,极易诱导空化,当空穴流由低压区流到压力升高区便会产生空蚀破坏。为了减免高速水流空化产生的空蚀破坏,经济而有效的措施是在低压空化区上游设置掺气设施强迫掺气。半个多世纪以来,在泄水建筑物过流壁面掺气减蚀措施方面研究的比较普遍深入,但关于掺气浓度与空化空蚀各相关量之间的对应关系的研究成果尚十分贫乏,有待在理论研究上有一个突破性进展。 本文第一部分主要对不平整突体--垂直升坎所诱导的空化区掺气特性进行了系统的试验研究。在浙江工业大学水力学实验室的直流式水洞中利用三维粒子图像测速仪(PIV)等先进的量测技术,在不同的掺气浓度条件下,对空化区流速场和压力场进行了测量与分析。通过试验研究了高速掺气水流流经垂直升坎时的空化区流场结构,得出空化区垂向流速、纵向流速随掺气浓度变化的关系,以及水流压力、水流空化数随掺气浓度的变化关系,并对掺气减噪进行了初步的分析;最后论述了水流速度为50米每秒量级的高速掺气水流的音速、激波等可压缩流特性。 本文第二部分为海流能转换器的研究。海流能是一种清洁、可再生的能源,利用方式主要是发电,其原理和风力发电相似。开发海流能不仅可以缓解我国的能源压力、调整能源结构,同时也有利于我国的环境保护。鉴于我国目前对海流能研究的缺乏和海流能本身存在的不足,本文对海流能能量转换系统进行了研究,提出两种海流能转化器,能够有效提高输入涡轮机的能量,为更好的利用海洋能提供了有力载体。本试验研究成果可在海流能发电中得到广泛应用,将有效缓解沿海地区能源危机,为低速海流能的开发提供更广阔的前景。 【关键词】：高速掺气水流 垂直升坎 空化空蚀 海流能 转换器
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TV135
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 符号说明12-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 不平整突体空化特性国内外研究现状14-18
• 1.1.1 不平整突体空化空蚀的研究意义14-15
• 1.1.2 升坎的国内外研究进展15-17
• 1.1.3 掺气减蚀方面的研究17-18
• 1.2 国内外海洋能研究现状18-26
• 1.2.1 海洋能综述18
• 1.2.2 国内外海洋能研究现状18-26
• 1.2.3 海流能研究的现实意义26
• 1.3 本文研究的主要内容26-28
• 第二章 试验设备与量测技术28-36
• 2.1 水洞系统28-29
• 2.2 多功能水槽29
• 2.3 DANTEC-PIV29-30
• 2.4 PHOTRON APX-RS 高速摄影机30-32
• 2.5 SINOCERA-YE6263 压力数据采集系统32-33
• 2.6 SCANIVALUE 多点压力扫描阀系统33
• 2.7 SonTEK ADV33-34
• 2.8 UFLO 2000P 超声波流量计34-36
• 第三章 低于50m/s 高速水流流经升坎空化区流动特性的试验研究36-49
• 3.1 试验装置及分析方法36-39
• 3.1.1 试验装置36-37
• 3.1.2 无量纲化37-38
• 3.1.3 流场中速度分析方法38-39
• 3.2 垂直升坎未掺气时空化区流场特性的试验研究39-41
• 3.2.1 垂直升坎未掺气时粒子图像观察分析39-40
• 3.2.2 未掺气时流动特性试验分析40-41
• 3.3 垂直升坎掺气减蚀的研究41-47
• 3.3.1 垂直升坎掺气时粒子图像观察分析41-43
• 3.3.2 纵向流速分析43-45
• 3.3.3 垂向流速分析45-47
• 3.4 掺气与不掺气情况的比较47
• 3.5 本章小结47-49
• 第四章 高于50m/s 高速水流流经升坎空化区流场特性的试验研究49-63
• 4.1 掺气与不掺气时的空化云区流场特性PIV 观察49-52
• 4.1.1 未掺气时空化区流场特性 PIV 观察49-50
• 4.1.2 掺气时空化区流场特性PIV 观察50-52
• 4.2 垂直升坎空化区流场特性的试验研究52-61
• 4.2.1 空化区流速场分析52-56
• 4.2.2 纵向流速分析56-58
• 4.2.3 垂向流速分析58-59
• 4.2.4 空化区压力场分析59-61
• 4.3 本章小结61-63
• 第五章 不平整突体掺气降噪的初步试验研究63-73
• 5.1 空化噪声与空化空蚀的相互关系63-67
• 5.1.1 空化噪声63
• 5.1.2 球形空泡生长和溃灭63-64
• 5.1.3 空泡群生长和溃灭64-65
• 5.1.4 近固壁面的空泡生长和溃灭65-67
• 5.2 掺气降噪试验研究67-71
• 5.2.1 试验装置67-68
• 5.2.2 试验数据分析68-71
• 5.3 本章小结71-73
• 第六章 海流能发电涡轮机叶片的研究73-83
• 6.1 水平轴涡轮机翼型设计思路73
• 6.2 翼型的基本理论73-75
• 6.2.1 翼型的几何参数73-74
• 6.2.2 翼型系列74-75
• 6.3 本研究课题的叶片设计75-79
• 6.3.1 传统型单向叶片75-76
• 6.3.2 改进型单向叶片76-78
• 6.3.3 改进型双向叶片78-79
• 6.4 改进型涡轮机叶片性能测试79-82
• 6.4.1 自由流情形下改进型涡轮机转速试验79-80
• 6.4.2 有压流情形下改进型涡轮机空化试验80-82
• 6.5 本章小结82-83
• 第七章 提高海流能涡轮机出力的增速管83-96
• 7.1 自由流情形涡轮机的转速83-87
• 7.1.1 贝茨极限83-85
• 7.1.2 海流速度与叶轮转速的关系85-86
• 7.1.3 自由流情形涡轮机转速局限性86-87
• 7.1.4 增速管的提出87
• 7.2 增速管设计87-90
• 7.2.1 变面积比88-89
• 7.2.2 变长径比89-90
• 7.3 加增速管涡轮机转速试验90-95
• 7.3.1 不同面积比增速管对转速的影响90-92
• 7.3.2 不同长径比增速管对转速的影响92-94
• 7.3.3 加入增速管后涡轮机效率的提升94-95
• 7.4 本章小结95-96
• 第八章 提高海流能涡轮机出力的文丘里管96-103
• 8.1 文丘里管的提出96
• 8.2 文丘里管设计96-98
• 8.2.1 变面积比97
• 8.2.2 变长径比97-98
• 8.3 加文丘里管涡轮机转速试验98-102
• 8.3.1 不同面积比文丘里管对转速的影响99-100
• 8.3.2 不同长径比文丘里管对转速的影响100-102
• 8.4 本章小结102-103
• 第九章 结论与展望103-105
• 9.1 表面不平整突体试验结论103-104
• 9.2 海流能试验104-105
• 9.2.1 结论104
• 9.2.2 展望104-105
• 主要参考文献105-110
• 致谢110-111
• 攻读学位期间发表的学术论文111
• 参与的主要科研项目111
• 申请专利111

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