基于鯊魚鰭的水平軸潮流能水輪機仿生葉片研究.pdf

1、葉片是水平軸潮流能水輪機的核心部件,其效率的高低對潮流能的利用率有著重要影響。目前,眾多研究者對潮流能水輪機葉片的性能優(yōu)化進行了積極探索,而鯊魚經(jīng)過漫長的自然進化成為海洋魚類中游速較快的杰出代表,其外形結(jié)構(gòu)和運動方式都非常適合水下生存,具有超凡的水中運動能力。生物學(xué)的研究表明,鯊魚的這種游動能力主要得益于其尾鰭和胸鰭的性能。本文擬將鯊魚鰭的優(yōu)異水動力性能應(yīng)用于水平軸潮流能水輪機葉片,以期從仿生學(xué)角度提高水輪機性能。
　　本文以成年

2、的黑印真鯊為研究對象,利用逆向技術(shù),通過三維光學(xué)掃描儀取得了鯊魚魚鰭的三維坐標(biāo),得到了鯊魚魚鰭的樣本點云數(shù)據(jù)和魚鰭生物特征,通過逆向軟件模塊對原始數(shù)據(jù)的處理,得到了魚鰭葉片曲面,建立起鯊魚鰭的三維數(shù)字模型,從而得到水平軸潮流能水輪機葉片的仿生模型。應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD和 WORKBENCH軟件對仿生葉片進行水動力性能分析,研究了仿生葉片的功率系數(shù)和流場特性,得到了不同工況下的葉片的轉(zhuǎn)矩和功率,得出了使仿生魚鰭葉片獲能系數(shù)最高的槳距角,

3、從而確定了建立仿魚鰭水輪機模型所需要的唯一變量—葉片弦長跟葉輪旋轉(zhuǎn)平面之間的位置關(guān)系,建立起仿鯊魚胸鰭、尾鰭水輪機三維模型。
　　進而采用CFD方法模擬了兩種仿生葉輪的水動力性能,得到了仿生葉輪的性能參數(shù)跟流場分布?；诒究蒲袌F隊先前根據(jù)傳統(tǒng)葉素動量理論設(shè)計出的水輪機,與仿生水輪機進行水動力性能對比分析。數(shù)值模擬深層揭示仿生葉片在額定外部水流條件下的壓力跟速度分布。得到結(jié)論:仿魚鰭水輪機在低尖速比一定范圍內(nèi)獲能系數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)葉片,仿

4、胸鰭葉輪在更多尖速比范圍內(nèi)優(yōu)于仿尾鰭葉輪,獲能更大;從扭矩系數(shù)角度分析,在同工況下,仿生水輪機扭矩系數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)水輪機,說明實際運行中需要更大的水流速啟動仿生水輪機。在低尖速比范圍內(nèi),仿生水輪機在一定工況內(nèi)可以有效提高水輪機能量效率,增加發(fā)電量,但軸向力也相應(yīng)增加,壓力分布不穩(wěn)定。在實際工程應(yīng)用中要按照需求綜合平衡考慮。
　　根據(jù)以上成果,論文進行了仿生魚鰭葉輪的模型加工制作(根據(jù)第三章得出的葉輪最優(yōu)槳距角)、實驗測試的裝備、控制系