高效能串联水翼的参数配置研究

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振荡水翼式潮流能发电装置有发电量高、生态友好、翼型结构简单、环境适应性好等优点,虽然由于其运动形式和结构设计较为复杂,以致尚未实现大规模使用,但该项技术所包含的潜在价值依旧不言而喻。为实现振荡水翼的高效能发电,本文采用了一种在串联双翼中引入壁面的布置形式,基于数值模拟方法,研究了两翼的布置参数、壁面以及俯仰运动幅值对水翼捕能性能的影响,并对各项参数进行了优化,给出了最佳的布置形式,为高性能串联水翼的设计和工程应用奠定了理论基础。首先,基于重叠网格技术建立了二维数值模型;在收敛性分析的基础上,对模型的有效性进行了验证。串联双翼的布置参数包括翼间距和运动相位差,本文通过依次固定水翼的运动相位与总体相位,分析了翼间距变化对水翼捕能的影响。研究发现由于上游翼的尾流能量较为恒定,串联系统在不同翼间距处优化得到的捕能功率峰值相同。之后,引入壁面边界条件,依次研究了单壁面和双壁面分别对单翼及串联双翼捕能的影响。在对单壁面的研究中发现翼-壁间距越小,地面效应越强,这在一定程度上提升了捕能;但由于近壁面区域流速损失较大,最终使得单翼捕能效率最多只增加了1.8%,而串联双翼捕能甚至会低于普通的无壁面情况,因此不建议采用该种布置。在双壁面的研究中发现在地面效应与阻塞效应的共同提升作用下,水翼的捕能效率获得大幅提升,单翼在翼-壁间距为0.25倍弦长时的效率比无壁面高出20%。通过对地面效应和阻塞效应的影响进行分离,发现随着阻塞率的增大,前者对捕能的提升呈指数增长,后者呈线性增长。双壁-双翼配置可达到最高平均43.77%的捕能效率。最后,对俯仰运动幅值(θ0)的影响进行了研究,给出了不同工况下的最佳角度配置。其中普通单翼在θ0=80°时达到最高效率41.66%,双翼在θ0=75°时达到最高平均效率32.20%。双壁面条件下单翼与串联双翼的变化规律一致,两者都在θ0=70°且阻塞率为90%时达到了最高(平均)捕能效率,其中前者为70%,后者为72.65%,同时相应的串联翼布置参数取翼间距为6倍弦长,运动相位差为-180°。
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