水流能发电机、潮汐发电机作为新能源发电技术,已不仅仅停留在理论和实验研究阶段,相关型号的产品已经小批量地应用,并取得了良好的经济效益和环保效益。我国长江上游干支流蕴藏着丰富的水能资源,可以运用类似技术——利用低水头、低水速的水流能发电机来获取这些能源。本文所研究的水流能发电系统是一个复杂的非线性、多变量、强干扰系统。模型分析需充分考虑水流流速的随机变化、叶轮与水流的流固耦合非线性及发电机的非线性因素等。本文运用CFD技术对叶轮等装置进行数值模拟,能对叶轮水动力性能以及气蚀等问题进行预测,同时能够指导整个水流能发电装置的结构设计,从而达到尽可能多地捕获能量的目的。首先根据长江中上游水文资料,初步设计了水流能发电装置基本方案,模型结构和尺寸。通过类比风力发电机的计算和设计方法,分别从功率、叶轮转速及主轴转矩三个方面验证设计方案的可行性。选取了合适的直流发电机及增速装置。对比了垂直轴及水平轴水流能发电装置的利弊,利用Autocad及Pro/E软件设计了垂直轴水流能发电装置模型的结构和尺寸。然后以流体力学方程为理论基础,对流体仿真软件Fluent进行了分析,重点探讨了该软件中湍流模型的分类与使用,以及分析流体机械时所使用的MRF模型。探讨了升力系数、阻力系数及升阻比对叶片水动力性能的显著影响,并以此作为比较不同翼型动力性能的指标。最后选用MRF模型对水流能发电装置整体进行了流场仿真分析。结合仿真结果以及垂直轴叶轮叶尖速比的理论推导,表明需提高变速箱增速比,才能符合水流发电装置低水速运行的要求。然后从能量捕获效率方面入手,对于导流装置进行了初步设计。仿真结果表明在理想状态下,管口收缩比越大,水流速度增幅越大。但在考虑水流能发电装置自身旋转对流场的影响后,整体流场的仿真结果表明,导流装置分散了一定的来流水的动能,水流能发电装置尾部出现漩涡分离,降低了其水动力性能。