基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置水動力性能試驗研究與數(shù)值預(yù)報.pdf

1、世界范圍內(nèi)，化石能源日趨緊張，環(huán)境污染不斷加劇，潮流能作為一種清潔無污染的綠色可再生能源，具有儲量大、分布廣、可預(yù)測性強、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點，開發(fā)利用潮流能成為緩解能源緊張、降低環(huán)境污染的有效途徑。
　　潮流能開發(fā)利用的主要裝置為水輪機，水輪機搭載在載體上，構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，將潮流動能轉(zhuǎn)換為電能。目前，潮流發(fā)電裝置的分類很多，各自具有獨特的應(yīng)用背景和優(yōu)勢。按載體分類，可以分為樁基礎(chǔ)式、座底式和漂浮式，按水輪機分類主要分為水平軸水輪機

2、式和豎軸水輪機式。其中，基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置融合了豎軸水輪機和漂浮式載體的特點，具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)制造技術(shù)難度小、成本低、維護檢修和管理費用低、適應(yīng)流向變化、對吃水要求低等優(yōu)點，近年來成為研究的熱點，并在我國和意大利等國有實驗示范裝置運行。但是，現(xiàn)階段對該類潮流發(fā)電裝置的研究多集中在對豎軸水輪機、浮式載體和系泊系統(tǒng)的研究，對豎軸水輪機、浮式載體和系泊系統(tǒng)耦合作用下，潮流發(fā)電裝置的性能預(yù)報研究較少，而這卻是制約該類潮流發(fā)電裝

3、置設(shè)計、實驗示范研究和工程應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，本文對基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置開展其水動力性能研究，建立該類潮流發(fā)電裝置水動力性能的試驗預(yù)報方法、平臺和數(shù)值預(yù)報方法，為該類裝置的研究和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　在基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗方法和設(shè)計方面，本文首先根據(jù)發(fā)電裝置原型、船模拖曳水池情況確定模型試驗的縮尺比，對雙體船模型和水輪機模型開展連接設(shè)計研究，對發(fā)電裝置模型重心及轉(zhuǎn)動慣量的測量方法進

4、行研究，設(shè)計開發(fā)模型重心及轉(zhuǎn)動慣量測量與調(diào)整裝置，測量和調(diào)整模型的重心及轉(zhuǎn)動慣量。然后，開展系泊模擬研究，分別開展系泊點和錨鏈的模擬研究，通過系泊架實現(xiàn)系泊點的模擬，通過系纜實現(xiàn)錨鏈的模擬。接著，選配系泊試驗研究的儀器和設(shè)備，開展測量與布置方案研究，并介紹系泊架的安裝和系纜預(yù)張力的調(diào)節(jié)方法，給出試驗工況，最后形成基于船模拖曳水池的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗平臺和試驗方法。
　　在基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗研究方面，

5、本文首先研究基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置的自由衰減特性和系泊衰減特性，分別測量組合模型在自由狀態(tài)下的橫搖衰減情況和縱搖衰減情況，組合模型在系泊狀態(tài)下的橫搖衰減情況、縱搖衰減情況和艏搖衰減情況，并對各自的衰減情況進行分析。然后，研究裝置模型在均勻流下的系纜拉力響應(yīng)特性、組合模型的姿態(tài)響應(yīng)特性，并介紹試驗中的一些試驗現(xiàn)象，對試驗現(xiàn)象進行分析。接著，開展均勻流下水輪機轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時的比較試驗研究，對兩種狀態(tài)下系纜拉力、組合模型的姿態(tài)響應(yīng)和試

6、驗?zāi)Ｐ偷膫?cè)向位移進行比較分析，給出研究結(jié)論。接著又進行規(guī)則波環(huán)境下系泊試驗研究，研究波高和頻率對模型系纜拉力和運動的影響。最后，研究裝置在不規(guī)則波環(huán)境下的系纜拉力情況和姿態(tài)響應(yīng)情況，并對試驗結(jié)果進行分析。
　　在基于豎軸水輪機的漂浮式潮流發(fā)電裝置總體性能研究的基本理論方面，文章首先給出豎軸水輪機流載荷的數(shù)值模擬方法，給出數(shù)值模擬的基本控制方程、RANS方程、湍流模型和近壁區(qū)處理方法、離散方法和自由變偏角的模擬方法。然后，給出了基于

7、三維勢流理論的頻域分析理論，包括坐標(biāo)系的定義，線性速度、一階波浪力、平均波浪漂移力和二階波浪力傳遞函數(shù)矩陣的求解。最后，給出裝置水動力性能分析的時域耦合分析理論，建立了時域耦合運動方程，給出流力和波浪力的確定方法，給出水輪機載荷的耦合處理方法。
　　在基于豎軸水輪機的漂浮式潮流能發(fā)電裝置總體性能研究方面，文章首先根據(jù)第四章的基本理論方法，數(shù)值模擬水輪機的流載荷情況，并對水輪機受力進行數(shù)據(jù)擬合，計算水輪機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的等效附加質(zhì)量和阻尼

8、。然后，對漂浮式潮流發(fā)電裝置的浮式載體進行頻域輻射、繞射分析，最后，考慮水輪機轉(zhuǎn)動的影響，對發(fā)電裝置的水動力性能進行了耦合計算研究，預(yù)報發(fā)電裝置的錨鏈張力和運動響應(yīng)情況，并選擇典型工況與試驗結(jié)果進行比較，驗證本文數(shù)值預(yù)報方法的有效性。
　　在帶浮筒的漂浮式潮流發(fā)電裝置總體性能研究方面，首先設(shè)計了浮筒的結(jié)構(gòu)形式和錨鏈連接，然后，利用第四章的頻域分析基本理論和時域耦合分析基本理論，對帶浮筒的漂浮式潮流發(fā)電裝置進行時域耦合計算研究，預(yù)報