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[硕士论文] 刘馥瑜
化工过程机械 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:水力空化能具有无污染、效率高、瞬间能量释放大的优点,文丘里管作为典型的水力空化元件,其结构简单,工作时无需外部能量输入,安全耐用,应用于石油化工、煤化工和核工业等行业。本文针对某核电设备文丘里管稳流装置,基于Zwart空化模型和Realizable k-ε模型,采用计算流体动力学方法(CFD),使用FLUENT软件,结合相关文献的研究成果,研究稳流工作的文丘里管的空化流体动力学特性和稳流特性规律。
  文丘里管的数值计算流量值与已有实际流量值吻合较好,误差在5.5%以内。文丘里管稳流流量随管路压差的增大而增大,文丘里管对于流量增长波动有明显的稳定控制作用,且空化相变是管路稳流的根本原因。文丘里管喉部管径是文丘里管的关键几何尺寸,管径越小,文丘里管对流量增长波动反应越敏感,水流量增长幅度越小,稳流效果越好。文丘里管喉部长度主要影响稳流作用的灵敏性,喉部长度越小,文丘里管对流量增长波动反应越敏感,稳流作用启动更及时。文丘里管的压力工况影响空化相变的产生,低压工况下,文丘里管的空化稳流灵敏性更好;高压工况下,稳流作用时流量变化更稳定。文丘里管内表面的粗糙度影响管路整体流动及文丘里管空化稳流作用。较小的管壁Ra值促进空化的发展,有利于空化初生,提高空化稳流作用灵敏性且流动更稳定。水流温度范围为5℃~90℃,15℃~30℃时,水流含气量起主导影响作用,而在其他温度区间时,水流的饱和蒸气压的作用更明显。
  本文采用数值模拟的方法研究文丘里管的空化稳流特性,研究成果对于文丘里管在相关领域的应用与设计提供一定的理论依据,具有较强的理论参考价值和实际工程意义。
[硕士论文] 贾海峰
机械制造及其自动化 山东大学 2018(学位年度)
摘要:人类对能源需求的日益增大和环境的日益恶化,使新能源的发展利用越来越受关注。潮流能作为一种清洁可再生能源,具有储量大、能量密度大、可预测性强等优点。垂直轴潮流能水轮机是潮流能开发时重要的能量捕获及转换装置,其具有噪音小、结构简单、不受来流方向变化的影响等优点,但是垂直轴水轮机也具有能量提取效率不高、叶轮所受载荷波动较大、自启性能较差等缺点,为了改善垂直轴水轮机的这个不足,大量学者对其进行分析和研究,本文创新地采用升阻比更高的非对称翼型,经过数值模拟计算后,分析不同参数对非对称翼垂直轴水轮机性能的影响,并对其自启性能进行了研究。
  首先,本文建立垂直轴水轮机的二维模型,并对水翼及叶轮进行受力分析。然后,通过对非对称翼垂直轴水轮机的数值模拟计算,研究不同参数对其水动力性能的影响。结果表明:水轮机采用合适的非对称翼可以获得比采用对称翼更好的水动力性能,NACA2418能提高NACA0018在较低叶尖速比和较高叶尖速比区间的能量提取性能,能量提取系数值最高可提高30%,同时采用非对称翼能改善水轮机载荷的波动,提高水轮机疲劳寿命;安装角度采用-2°,安装位置弦长比采用0.7,水轮机能获得较好的水动力特性;叶尖速比不变的条件下,来流流速的增大能提高水轮机的能量提取系数,采用水流增速装置(如导流罩等)能提高水轮机的能量提取性能。
  最后,通过建立水轮机自启过程中的运动控制方程,并采用FLUENT软件中的UDF函数对水轮机的转速和转矩进行迭代求解,实现了水轮机的自启运动的数值模拟计算,结果表明:水轮机转动惯量越小,系统阻尼系数越小,水轮机自启运动后稳定阶段的平均速度越大,有利于水轮机获得更高的能量提取性能;水翼采用靠近水翼后缘的安装位置和适当外偏的安装角度,能使水轮机自启后达到较高的平均速度越大,且不会影响转速的波动幅值,有利于提高水轮机能量提取性能;提高来流流速,能使水轮机更快的自启并达到较高的平均转速,但水速过大会引起转速波动幅度的增大,不利于水轮机的长时间运行。
[硕士论文] 边佩翔
机械制造工业工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:海洋能作为可再生能源重要部分,具有储量大、对环境影响小等优点。潮流能作为海洋能一种,能量密度高,应用前景广阔。与水平轴潮流能水轮机比较,垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、易于制造、不受潮流流向影响等优点。但垂直轴水轮机也存在一些问题,主要有自启动差、低转速时工作效率低、工作时流场周期性非稳态变化等缺点,影响其规模化与商业化发展。因此,本文在H型水轮机的内部增加一层S式水轮机,形成升力一阻力型混合式垂直轴水轮机,应用CFD数值模拟方法,研究这种新型混合式垂直轴水轮机的性能。
  本文首先对S式水轮机与H型水轮机进行建立运动方程与受力分析,进行二维数值模拟,并对数值模拟的正确性进行验证。研究S式水轮机的重叠比与叶尖速比对S式水轮机的水动力性能影响。研究结果表明S式水轮机适合在低叶尖速比情况下工作,并且力矩系数与叶尖速比近似成线性关系,存在一个最优叶尖速比使S式水轮机的功率系数达到最大。带有重叠比的S式水轮机能够有效的减少甚至完全消除水轮机在运动过程中的负力矩的情况,从而改善S式水轮机水动力性能。此外,研究叶尖速比对H型水轮机的水动力性能影响。研究结果表明H型水轮机功率系数与叶尖速比近似关系成抛物线,存在一个最佳叶尖速比使水轮机的功率系数达到最大;与S式水轮机相比,H型水轮机适合于在较高叶尖速比的工况下工作,最佳功率系数更优。
  最后,本文对混合式垂直轴水轮机进行水动力学分析与自启性分析,主要研究混合式垂直轴水轮机几何参数(内外径比、半径比)对水动力性能与自启性影响,并与H型水轮机进行分析比较。研究结果表明,混合式水轮机提高了启动力矩,有效地解决了H型水轮机自启性较差的问题。内层S式水轮机与外层H型水轮机的相互干扰作用,从而一定程度降低混合式水轮机的功率系数。从而,为混合式垂直轴水轮机的设计与优化提供参考。
[硕士论文] 陈雪梦
船舶与海洋工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:潮流能是可再生能源的一个重要组成部分,潮流能水轮机凭借其低成本和低生态影响以及广泛的适应性和推广性,已经逐渐成为海洋能领域的研究热点。在中国,潮流能水轮机的技术发展仍处于起步阶段,发电效率仍有待提高,而提高水平轴潮流能水轮机工作效率的重点是提高叶轮部分的能量转换效率。基于此,本文在水平轴潮流能水轮机性能研究和叶片设计的基础上,开发出一种叶片优化模型,实现了对于叶片几何形状的高效自动优化,节约了设计成本,对水平轴潮流能叶轮设计研究具有重要意义。
  本文首先基于传统叶素动量理论(Blade Element Momentum Theory,BEMT),在MATLAB软件平台上编写BEM计算程序,计算目标叶轮受到的轴向力和切向力,进而计算叶轮的功率系数和推力系数。计算所需的叶轮翼型升阻力系数,由CFD方法计算得到。同时,在该模型中引入雷诺数、叶片厚度等的影响,加入叶尖损失修正系数和高轴向诱导因子修正系数。然后,基于传统BEM计算方法,通过力源项耦合CFD计算,搭建BEM-CFD计算模型。在该模型中,叶轮简化为致动盘模型,其叶片特性由BEM算法计算得到的单位轴向力和单位切向力表达,并输入CFD模型中进行外围流场仿真。通过与实验数据的对比显示,该模型能更好地模拟非均匀入流、自由液面波动效应及潮流能机组支撑装置等对水轮机性能特性的影响。
  接着,在ISIGHT平台搭建基于BEM-CFD模型的水平轴潮流能发电装置叶轮优化模型。以水轮机叶片的节距角分布和弦长分布为优化变量,选取功率系数和推力系数等作为优化目标,引入贝塞尔曲线参数化技术和响应面模型,实现优化过程的自动化和高效化。采用该优化模型,基于本文目标水轮机的最优工况点,优化叶轮的能量捕获效率提高了0.96%,同时轴向水推力系数降低了2.36%。
  最后对于目标水轮机叶轮多工况点进行优化设计,选取最优工况点附近三个工况下功率系数的平均值和方差值作为目标函数进行优化,优化后的叶轮在尖速比为4、6、8工况下功率系数分别从0.2674、0.4255、0.4385上升至0.3261、0.4612、0.4514,优化叶轮的加权平均功率系数由0.3892上升至0.4050,方差值由0.0061下降至0.0033,优化结果良好。
[硕士论文] 余本旭
动力工程 浙江理工大学 2018(学位年度)
摘要:空化流动是水力机械运行稳定性的核心关键问题,急需开展空化对水力机械或绕流水翼流动结构及能量演化影响的研究。本文基于已有的实验结果,应用开源数值计算软件OpenFOAM改进湍流模型,对绕NACA66水翼的空化流动进行数值模拟,并通过与实验结果对比,验证了数值计算的准确性和修正模型的精度提升效果。进而根据流场计算结果,分析绕二维水翼非定常空化流动的流动状态和动力学特性。通过分析湍动能分布与空泡体积分数、空化发展阶段和空化数之间的关系,以及根据湍动能输运方程,深入分析湍流与空化发展之间的交互作用,在湍动能输运的层面上获得空化内部流动机理。
  本文的主要研究内容如下:
  (1)针对标准SST k-ω湍流模型在空化流动计算中的不足,在OpenFOAM中对其进行局部可压缩修正和曲率修正,并应用修正模型对绕水翼的非定常空化流动进行数值模拟,并与实验结果和原模型计算结果比较,验证了数值计算的准确性和修正模型的精度提升。
  (2)基于修正模型的计算结果对空化发展周期内空泡体积分布、空化发展和脱落过程中的流线分布以及空化发展周期内的压力脉动等空化流动特性的分析,发现SST k-ω修正模型对云空泡脱落的频率预测较低但更接近实验结果,获得了更加准确的非定常空化流动状态和动力学特性。
  (3)通过对不同空化数下的空化发展周期内湍动能分布和沿流线的湍动能分布进行研究,分析了湍动能分布与空泡体积分数、空化发展阶段和空化数之间的关系,发现湍动能分布与空泡体积分数的变化程度有关,在空化处于稳定的状态或无空化产生时,湍动能接近为0;空泡体积分数变化越剧烈,湍动能越大。
  (4)深入分析湍动能输运与空化发展过程之问的关系,发现空泡的产生、空泡脱落运动和回射流现象会促进湍流的产生,而湍流则会反过来促进空泡的产生和溃灭。空泡的运动会促进湍动能的生成,并导致湍动能因流体的粘性出现耗散;在空泡的汽液相交界区,空泡的产生和溃灭会在很大程度上影响湍动能的输运,主要体现在压力作用项和应力扩散项的变化;粘性扩散项只在水翼尾流区域的空泡脱落阶段对湍动能的输运有影响,在其他阶段可以忽略。
[硕士论文] 董越
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:煤、石油、天然气等不可再生能源的储量随着人们不断的开采和利用而日益减少,而人类对能源的需求却随着工业生产的发展和生活水平的提高而与日俱增。传统能源已不再能够满足人类的需求,可再生能源领域的发展现已成为世界能源发展的必然趋势。其中海洋可再生能源总量丰富,是人类未来能源的宝库。本文研究的潮流能垂直轴水轮机是一种可以将潮流能转化为电能的一种装置。
  本文试验是基于2013年海洋可再生能源专项资金-海洋能综合支撑服务平台建设项目,对潮流能固定偏角垂直轴水轮机进行室内定型测试研究,试验的主要目的是建立垂直轴水轮机试验测试平台,确定垂直轴水轮机水动力性能和载荷试验测试方法,研究来流速度,速比,以及叶片弦长大小等主要参数对水轮机性能和载荷的影响规律。利用滤波等方法对实验结果进行数值处理。
  通过对实验结果研究发现:(1)叶轮的轮辐和夹具降低了水轮机的能量利用率,增加了水轮机的载荷性能,且夹具大小的不同对水轮机的水动力性能影响很大。(2)水轮机存在最优速比,在该速比下,功率系数最大。(3)同一速比下,来流速度越大,平均功率系数越低。且速比越大,功率系数受来流速度的影响越大。流速越大,平均推力系数越小,平均侧向力系数越大。(4)弦长大小即密实度不同对水轮机性能和载荷性能也有明显的影响。在低速比下,增大叶片弦长可以提高水轮机的能量利用率,在高速比下,减小叶片弦长使能量利用率升高。
  利用CFD软件CFX对该水轮机进行数值模拟,研究模拟情况下速比,来流速度,叶片弦长,自由液面,轮辐和壁面效应对水轮机水动力性能的影响。将实验结果与CFD结果进行对比,分析两种结果的差异及其原因。
  本文的研究成果为垂直轴水轮机叶轮的设计、安装及垂直轴叶轮CFD有效性验证提供试验数据,对真实海况下的水轮机的设计和施工具有参考意义,促进了垂直轴水轮机的实验研究进展,对潮流能能量转换装置的研究具有重要意义。
[硕士论文] 王成
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:化石能源危机和自然环境污染逐渐被人们所认识和关注,开发绿色可再生能源是维持人类社会的可持续发展的必选之路,潮流能就是其中之一。具有周期性变化的潮流能以可预报性强、能量密度大的特点被广泛开发利用。垂直轴水轮机作为潮流能获能的核心装置,因其结构形式简单,获能效率高成为广大科研学者的研究热点。而目前考虑粘性效应的单一垂直轴水轮机数值计算方法,虽然可以准确预报叶轮的载荷和性能,但计算量大,速度慢,受限于计算机硬件水平,在未来大规模阵列布置的工程化设计时并不适用。研究垂直轴水轮机的尾迹分布特性,建立尾涡结构的经验模型,不失为解决潮流水轮机流场及阵列布局设计问题的一种途径,这正是本文所关注的科学问题。
  首先介绍垂直轴水轮机的基本工作原理和叶片受力分析,阐释流体力学基本方程和涡运动理论。其次介绍水轮机CFD模拟方法,给出一套垂直轴水轮机二维数值模拟方案,通过数值及实验结果的比较验证了数值模拟方案的可靠性。再次围绕单叶片绕流展开探究,系统地分析各影响因素对单叶片绕流泻涡频率的影响规律,针对固定几何攻角的情况,给出了泻涡频率与机翼弦长、来流速度之间的关系;然后在此基础上研究单叶片旋转尾迹涡分布情况,讨论流速、速比对集中涡分布特征的影响,获得了单叶片垂直轴水轮机尾迹涡运动轨迹近似公式。最后研究两叶片垂直轴水轮机尾迹中涡量分布的特征,发现尾迹特征明显依赖于速比;以额定速比为例,获得了水轮机功率系数与脱落涡环量之间的关系;并提出了计算尾迹速度分布的涡列等效方法,计算结果与CFD模拟吻合程度较好。
  本文的研究结果为进一步研究垂直轴水轮机尾迹分布特征奠定了基础。
[硕士论文] 殷宪宇
电子与通信工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:水轮机的转速对维持电网的稳定十分重要。转速信号的好坏会直接关系到水轮机整个控制系统的精度、稳定性以及有关的动态特征。水轮机蠕动又称为机组爬行,具有非常隐蔽的特点,长时间的蠕动就会破坏水轮机的轴承,给水力发电站带来巨大的损失。因此在水轮机运行时,需要对它的转速信号进行准确、实时的测量;在水轮机停机时,需要水轮机进行有效的蠕动监测。
  针对水轮机转速的测量,本文提出并运用一种基于变M/T法采用主从同步定时模式的测速方法,设计了处理器内部两个定时器同步计数协同工作的方式,该方式可实现一个外部触发同时启动两个定时器计数,从定时器的启动和停止完全由主定时器控制,并且结合当前的转速值动态的设定主定时器的计数条件。另外系统采用GPRS模块做为无线通信方式,对水轮机转速值进行远程传输。针对水轮机蠕动监测,本文提出并运用一种光电成像式的蠕动监测方法,在水轮机大轴的齿盘底部安装照明光源,通过CCD工业相机采集齿盘图片,对齿盘图像进行处理,识别出齿盘的轮廓,并计算得到齿盘凸齿边沿所在直线与水平方向的夹角,通过监测夹角的变化来实现对水轮机蠕动的有效监测。本文将理论运用于实践,以STM32单片机和PC机为核心设计出水轮机转速和蠕动远程监测系统,并设计出了系统的电路原理图。其中STM32单片机完成对水轮机的转速测量和数据的无线传输;PC机端运用VS2012和OpenCV完成对齿盘图像的处理从而实现水轮机的蠕动监测。
  最后在实验室进行了转速测量实验,实验结果表明在5r/min~20000r/min的高低转速范围内,本系统能够实现对转速的精准测量,相对测量误差小于0.2‰,并可以通过GPRS模块实现转速值的远程无线传输。在某实验室模拟水轮机蠕动工况,对水轮机齿盘的图像进行了连续采集,根据光电成像式蠕动监测原理,在PC机上运用OpenCV对齿盘图像进行处理,有效的监测出了水轮机蠕动的角度。本文所设计的系统在水轮机转速测量和蠕动监测方面表现出了良好的性能,具有实用价值。
[硕士论文] 赵金辉
船舶与海洋结构物设计制造 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分,具有能量密度大、可预测性好、稳定性好、储量丰富等特点。垂直轴潮流水轮机是获取潮流能的一种重要机械装置,为了获得更高的机械效率,采用变桨形式是一种有效的方法,因此,变桨水轮机性能的理论和实验研究对于潮流能开发利用有着重要的科学意义和经济价值。
  本文首先介绍了垂直轴变桨水轮机的工作原理和受力特性,并提出应用计算流体动力学软件CFX的二维数值模拟方法,并通过三个典型算例验证了数值模拟的可行性和准确性。然后,应用该数值模拟方法研究对比了主动变桨水轮机与安装角为零度的定桨水轮机载荷和性能的不同。发现变桨水轮在不增加叶片合力的情况下可以有效的提升叶片切向力,不但能降低叶轮总体载荷,还能有效的减小叶片和叶轮载荷的波动幅度。分析其主要原因是变桨水轮机降低了叶片几何攻角的变化范围,在一定程度上延缓了叶片的流动分离,保持了升力,从而提高了水轮机的性能。接着,提出了一种主动变桨垂直轴水轮机的功率损耗计算模型,通过两个算例分析了损耗功率与叶片偏角规律与攻角的关系,发现主动变桨功率损耗与叶片偏角规律变化幅度呈正相关,且变桨功率损耗对应的相位角范围会因着水轮机模型参数不同和速比的不同有着较大差异。最后,通过模型实验,对比了实验数据与数值模拟结果,考虑到实验环境的复杂性,认为误差在可接受了范围内;又分析了主动变桨水轮机的速比、流速和密实度对功率系数、叶片载荷和叶轮载荷的影响,得到了相应的结论。
  本文采用CFD数值模拟和模型实验两种方法研究了主动变桨水轮机的水动力性能,分析了变桨水轮机比定桨水轮机性能优化的流体动力学原理,总结了影响其性能的因素及其相应的变化规律,所提出的主动变桨功率损耗模型可以有效的评估变桨水轮机在实际应用中需要考虑的输出功率与输入功率的关系。本文的研究成果将为垂直轴水轮机的技术开发提供坚实的理论基础和切实的设计依据,在工程上可推广到垂直轴风机、河流水轮机的设计和应用。
[硕士论文] 龚玉平
机械电子工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:推力轴承作为重要的机械零部件,广泛用于水轮发电机等回转设备上,主要承担水轮机组的轴向载荷。它的性能直接影响水轮机能否正常运行。如何提高推力轴承的稳定性、可靠性等问题一直被国内外学者广泛关注。
  本文研究了碟簧支承圆形瓦推力轴承的主要性能。通过对碟簧支承圆形可倾瓦推力轴承的受力条件、变形情况、温度场分布、油膜厚度场分布等参数的分析,探讨碟簧支承圆形瓦推力轴承的均载性能和润滑性能。
  首先,建立碟簧支承圆形瓦推力轴承润滑性能的数学模型。主要包括雷诺方程及其边界条件、能量方程、粘温方程、油膜厚度方程等。
  其次,对所选碟簧进行磨削处理,再进行刚度测试、分析和计算,得到碟簧磨削后的实际刚度值。同时分析了碟簧支承推力轴承的均载性能,并给出了该性能的计算方法。
  然后,利用圆形瓦推力轴承润滑性能计算程序的输出结果,由MATLAB进行三次插值和换算得到较为准确的压力场和温度场;再将其输入到ANSYS中,利用APDL进行参数化编程,分别建立几何模型,得到单块瓦的力变形云图、热变形云图、力热耦合变形云图和温度场云图等。既对同种工况、不同支承形式的推力轴承进行了性能对比分析,又对不同碟簧支承推力轴承的变形进行分析。
  最后,在40T推力轴承试验台上对碟簧支承圆形瓦推力轴承的润滑性能和均载性能进行了实验验证,实验结果与理论分析结果吻合。
  本文通过仿真分析与实验验证相结合,对圆形瓦推力轴承的均载性能和润滑性能进行探究,并得出结论:碟簧支承的圆形瓦推力轴承的均载性能明显,工作性能稳定。
[硕士论文] 邵方凯
力学 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:传统的能源结构不仅在储量上日益减少而且带来了不可忽视的环境破坏,发展新能源是人类社会文明发展的重要保证,而潮流能作为一种储量巨大且稳定的能源,具有重要研究价值。将潮流能转化为机械旋转动能的水轮机就受到国内外专家学者的研究。水轮机的各个类型中,漂浮式垂直轴水轮机有巨大优势,体现在来流方向可任意,且载体结构施工维修简单。目前潮流能水轮机的性能研究中,主要工况是简化为均匀来流无限水深下的探究。但在实际水轮机工作环境下,涉及到自由液面浸没深度的施工选择和波浪对水轮机的性能影响,且之前的研究都采用二维代替三维的方法,忽略了叶片端部梢涡的情况。因此本文采用三维水轮机实验尺寸进行研究,且加入自由液面的影响,最后还进行水轮机在波浪下的性能探究。
  首先,为了分析自由液面是否能影响到水轮机的性能,本文建立了三维叶片在无限水深、自由液面、规则波下三种工况下的均匀来流中周期性旋转模型,使用了滑移网格的模型模拟叶片在旋转中的受力情况,分析了自由液面对水轮机受力及功率的影响;其次,在静水波的情况下分析了不同浸没深度对水轮机受力及功率的影响;最后进行造波,研究水轮机在一阶规则波下的运动受力和功率情况,分析波浪的周期和波幅对水轮机性能的影响规律。
  CFD模拟的数值表明:自由液面的存在会在低速比下增加水轮机的功率,高速比会降低水轮机的功率;波浪的存在会降低水轮机的功率,对水轮机的平均受力没有影响,但会增大水轮机的受力波动幅值。波浪波幅的增大会降低水轮机的效率。波浪周期的增大也会降低水轮机的效率。
  结论的总结表明本文的研究成果对漂浮式垂直轴水轮机在真实潮流环境下的设计和施工具有重要指导意义,为垂直轴水轮机的理论研究进一步奠定了基础。
[硕士论文] 谈松林
机械工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:由于仿生振荡翼水轮机相对传统水轮机而言具有对流场速度要求低、噪音小、效率高等优势,本文将开展以模仿水中生物运动为原型的振荡翼式潮流能获取技术探索。在分析振荡水翼运动学及水动力学模型基础上,分别对湍流环境下不同翼形水翼潮流能获取效率及振荡水翼运动参数特征规律进行分析,探索振荡水翼翼面附着涡与翼面压力分布的涡翼耦合效应对潮流能获取效率影响机理。研制振荡水翼式潮流能获取实验装置,在循环水槽内开展振荡水翼运动参数、水翼翼形参数对水轮机潮流能获取功率和效率影响的实验验证,为开展高效率和环境友好的潮流能开发新技术提供理论和技术支撑。
  (1)以国内外对振荡水翼潮流能能量获取技术研究现状为基础,分析水翼运动特征及其翼形几何参数,并结合水翼水动力性能,建立二维振荡水翼运动模型。确定水翼运动规律及各关键水动力学参数间关系,给出衡量水翼能量获取能力的功率、效率等参数,完成对振荡翼潮流能水轮机方案设计。
  (2)研制多用途振荡翼潮流能水轮机,以最优化设计方法获得升沉与俯仰曲柄摇杆机构各杆长并验证机构运行轨迹正确性,进一步设计各传动件具体结构,利用标准铝型材搭建框架式机架,对关键零部件做强度刚度分析。设计频率控制单元以控制水翼运行在不同振荡频率下。设计信号采集单元,采集水轮机能量获取功率。通过对装置的设计,加工与安装调试,获得振荡翼潮流能水轮机。
  (3)以Fluent流体力学分析软件为基础,探究振荡水翼翼形变化对流场能量获取性能影响规律,分析不同翼形水翼运动特征规律,探究振荡水翼翼面附着涡与翼面压力系数分布间关系,量化翼面附着涡强度值。通过研究振荡水翼流场能量获取性能与运动参数关系,水翼翼形变化对流场能量获取性能影响,揭示湍流环境下矩形水翼及NACA翼形水翼运动形成涡的动态行为对流场能量获取性能影响机理,总结影响振荡水翼流场能量获取性能的运动参数特征规律和翼形变化特征规律。
  (4)以自主研制的振荡翼水轮机为基础,在循环水槽完成实验平台搭建,先后对矩形翼及NACA翼形进行了固定流速下不同振荡频率能量获取效率实验与不同流速下最大功率随流速变化实验,以及无翼状态下机械损失估计实验。通过实验结果、去除机械损失结果及仿真结果间对比分析与误差分析,完成振荡水翼运动参数、翼形变化对流场能量获取性能影响实验验证,检验相关分析、计算结果合理性和正确性。
[硕士论文] 范江峰
水利工程 河北工程大学 2018(学位年度)
摘要:导水机构的水力性能和结构强度将直接影响机组的效率与运行稳定性。由于活动导叶具有多种形式,不同的翼型在相同工况下会对流场产生不同的影响。从而使得计算比较复杂,通过常规方法不能很好的计算出在水压力作用下活动导叶的具体形变情况,应力分布情况。本文利用数值模拟的方式定性分析了不同翼型的活动导叶对流场的影响以及不同工况下导叶的形变情况。
  本文具体工作主要包括以下几个方面:
  (1)利用SolidWorks三维建模软件建立了水轮机全流道模型,并构建了不同工况下,不同翼型的活动导叶模型。针对实验需求进行了模型计算域的全局网格划分和局部网格划分。
  (2)通过Flow Simulation插件,利用CFD的方法分别计算了采用正曲率活动导叶和采用对称活动导叶的导水机构内流场情况。为机组的导叶翼型选择提供参考。
  (3)计算了导叶在关闭工况下,导水机构的上下游水压力对不同翼型和结构的导叶的影响。将CFD的计算结果作为静力分析的初始条件,利用单向流固耦合的方法计算了在流场作用下不同翼型和结构的导叶形变和应力分布情况。
  (4)分别对不同翼型和结构的活动导叶进行了模态分析,得出了翼型和结构对活动导叶固有频率的影响。
[硕士论文] 李丙尧
水利工程 河北工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着能源消耗的逐步增加,水电作为一种清洁能源占据了越来越重要的地位,水电站发挥着调峰调频的重要作用。然而由于近年来水土流失的加剧,导致我国在运行的大多数电站都在含沙较多的河流中运行。因此,在这种多泥沙河流中运行的水轮机极易出现泥沙颗粒的磨损、加剧机组振动等问题,从而降低了水轮机的使用寿命,给电站运行带来很大危害。本文针对在固液两相流动情况下运行的水轮机进行了数值模拟,以期揭示固相颗粒在水轮机中的流动规律,并预估了水轮机的泥沙磨损情况。在水轮机运行过程中遇到的另一严重问题是水轮机甩负荷运行时,由于导水机构拒动而导致的飞逸工况的产生,因此本文研究了水轮机在飞逸工况时的流动特性。针对以上问题,本文主要做了以下研究内容和工作:
  (1)通过HL240型水轮机的木模图,运用CAD及SolidWORKS软件建立了水轮机转轮模型,然后经由水力计算,设计出水轮机蜗壳、活动导叶、尾水管三部分过流部件。最后,对所建立的水轮机模型根据其不同的结构分别应用ICEM CPD以及Turbogrid软件进行结构化网格和非结构化网格的划分。
  (2)采用CFX软件中Particle模型和非均相模型对所建立的水轮机模型进行固液两相流动数值模拟。导叶开度选为24°,从固相颗粒不同密度、粒径、浓度三个方面共计16个小工况进行了模拟实验,得到了在固液两相流动下水轮机外特性的变化规律。对蜗壳、导叶、转轮叶片等过流部件的磨损和内部固相属性的流动情况进行了分析。并将模拟结果与文献中的实验结果进行对比,结果显示本文研究结果与实际运行时的情况基本吻合。
  (3)在飞逸工况的研究中,以6个不同开度下计算的稳态工况作为初始条件,结合水轮机飞逸工况转轮内控制方程来模拟水轮机到达飞逸工况后的动力学特性。实验结果表明,到达飞逸工况后,水流流速迅速增加,转轮内部出现了不同程度的涡流现象。由转轮叶片压力分布可知,在飞逸转速下叶片压力也急剧上升,叶片下环附近处压力较集中。然后对本文所采用的窄高型尾水管在内部流线、特正面压力分布方面进行分析,对比了飞逸工况前后尾水管内部的流动变化。
[硕士论文] 赵铎
电机与电器 广西大学 2017(学位年度)
摘要:贯流式水轮机是一种比传统的混流式、轴流式和其它冲击式水轮机出现的都要晚的多的水轮机。其主要特点是适应低水头水力资源的开发,同时其流量又较大,带来这类水轮机的比速较高。所以这类水轮机的飞轮力矩较小,在甩负荷过渡过程中升速较快,同时,由于其水头低、流量大,这类水轮机具有较大的水流惯性常数。
  而水力发电系统由于其涉及到复杂的流体、机械和电气相交互的各类问题影响,整个系统的非线性特征极其突出。对于常见的水轮机控制器而言,其采用的多是PID控制方法,这类方法很难解决水力发电系统在运行中的非线性因素,所以在此基础上利用一种多指标非线性控制方法对系统的状态方程进行变换,以期获得一种能适用于硬件设备的控制律。而这里提到的控制方法能在非线性系统的某些局部获得完全或者部分线性化的稳态平衡点,求解出全新的控制律,能在一定程度上提升控制性能。借助于这种控制方法能很好的解决电力系统中的非线性模型的一些控制问题。
  由于传统的传递函数方法在贯流式水轮机的建模上面比较困难,所以本文借助了一种在水力工程设计与计算中比较常用的状态方程来辅助获得相关参数,这类方法一般很少出现在电力系统的水轮机建模之中。利用水力机械过渡过程计算中的水轮机状态方程,结合水轮机的传递函数,通过一些己知的运行点,在缺少水轮机特性曲线的情况下,借助过渡过程方程求解出所需的运行点其余参数,利用这些运行点的参数来求解出状态方程的系数,就可以获得一个可以求解的贯流转桨式水轮机的仿真模型。接下来找到桨叶和导叶协联控制的关系。结合二阶的发电机方程共同形成一个多输入多输出的非线性状态方程。再利用这种多指标非线性控制方法求解出一个非线性控制律。
  最后,建立在不同控制方法下的水轮机仿真模型,利用MATLAB仿真来验证贯流转桨式水轮机仿真模型的可信度,比较传统PID控制方法和多指标非线性控制方法的特点。从两个仿真模型的运行曲线来看,一方面表明了这种建模方法具有很高的可靠性和广泛的适应性;另一方面也能证明多指标非线性控制方法比传统PID控制更加有效。
[博士论文] 王志文
轮机工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:可再生能源在可持续能源结构中的比重和作用越来越大,海洋可再生能源具有潜能巨大、靠近能源消费中心、不占宝贵土地资源、增强沿海国家能源安全等诸多优势,相比于开发较为成熟的陆上可再生能源,海上可再生能源开发仍处于初级阶段。但是,不管是陆上还是海上可再生能源,都存在着显著的间歇性、随机性和低能量密度缺陷。合适的储能技术是解决以上问题的有效方法之一。受限于独特的海洋环境,现有储能技术难以满足大规模海洋可再生能源存储的需求。应运而生的水下压缩空气储能(UWCAES)技术尤其适合于沿海及海上能源的规模化存储,为未来海洋可再生能源的规模化存储提供了一种全新的思路和可行的技术方案。因此,本文针对水下压缩空气储能系统设计与能效分析展开了较为详细的探索性研究,旨在为开发和完善水下压缩空气储能技术奠定理论基础。
  论文的研究工作主要包括以下几个方面:
  完成了带储热水下压缩空气储能系统的整体设计,对与水下压缩空气储能相关的关键技术及系统主要装置:压缩机、膨胀机、换热器、储热单元和水下储气装置进行了分析。对水下压缩空气储能系统独特的气球状储气装置模型进行了小雷诺数(7×104)的流体动力学数值模拟与实验研究,通过对时均/瞬态流体力、时均/瞬态尾迹流场和尾迹涡脱分析,发现k-ω SST湍流模型仅能正确计算时均流场特性,而LES大涡模拟湍流模型既可以正确计算时均流场特性,也可以正确计算瞬态流场特性,为后续大雷诺数数值模拟提供了参考依据。然后以我国南海海岛能源系统为例,集成设计了一个以水下压缩空气储能为主、电池储能为辅的混合储能系统,分析表明,集成了水下压缩空气储能系统的海岛能源系统能够有效提高可再生能源利用率、降低燃油消耗和温室气体排放,极具经济价值与环保意义。
  以设计的混合储能系统为基础,建立详细的考虑各装置动态特性的水下压缩空气储能系统动态热力学模型,对系统在设计工况和非设计工况的运行特性进行比较。针对前人研究中尚未完善的有关定压与定容压缩空气储能的比较,本研究从动态特性、系统效率和储能能量密度三个方面对定容和定压压缩空气储能进行了全面客观地比较,发现同等条件下,定压系统循环效率比定容系统循环效率高约6%,定压系统体积能量密度是定容系统体积能量密度的2.5倍,说明了水下定压存储较传统定容存储的优势。
  最后对系统能效进行了深入分析,探究了系统过程中能量传递、耦合和损失的特性。首先通过对比分析压缩空气系统能效评估的三类方法,得出了基于热力学第二定律的(火用)分析是最合理有效的。基于R-K-S实际气体状态方程和热力学参数焓熵的一般表达式推导了实际气体的焓(火用)的一般表达式,通过与理想气体焓(火用)比较,得出了理想气体(火用)与实际气体(火用)的偏差,对于本文研究的系统压力(0~7MPa)和温度(300~500K)范围而言,理想气体假设产生的相对误差小于5%,证明了采用理想气体假设的合理性。然后对本文提出的水下压缩空气储能系统进行了(火用)分析和参数敏感度分析,得出实际工况下系统总(火用)效率可达58.91%,不可避免工况下系统总(火用)效率可达80.08%,高等(火用)分析进一步表明系统总(火用)效率提升潜力很大,且系统组件之间的交互影响作用并不十分显著但却非常复杂。基于敏感度分析确定了系统效率对压缩机和膨胀机的等熵效率最为敏感,换热器对系统效率的影响较为复杂,呈现显著的非线性和非单调性。
[硕士论文] 吕坤
工程硕士 广西大学 2017(学位年度)
摘要:水力发电作为一种清洁能源而受到大家广泛重视,而水轮机调速器作为水力发电的重要控制设备,在保证发电机组和电力系统的安全可靠,提高发电机组和电力系统的技术经济指标等方面发挥着重要作用。但是在调速器的使用过程中仍然存在一些问题,本文将针对这些问题进行分析研究,研究的主要内容包括:
  (一)分析传统水轮机调速器的结构特点和基本工作原理,并为本文设计的水轮机选取合适的调速器。分析了目前水轮机调速器所使用的控制方法,选取合适的调速器作为本文研究的岩滩水电站调速器的控制方法。
  (二)对岩滩水电站调速器的硬件和软件进行了设计,通过硬件和软件的设计,确定了调速器基本功能。对机组的测频模块、人机界面以及供电模块进行了设计和选择,最后确定机组的控制策略和系统故障检测和保护策略,为确保系统能够安全运行提供了保障。
  (三)研究分析一种非线性的鲁棒控制算法来解决长距离的电能传输过程中发生故障所引起的系统振荡和解列的情况。在研究的过程中首先对系统的模型进行线性化,进而针对系统模型设计出符合要求的鲁棒控制规律来对调速器进行控制,最后通过对采用的鲁棒控制规律和传统的PID控制规律进行实验,实验结果证明采用鲁棒控制来配合传统的PID控制,在电力系统受到短路、切除线路等干扰时可以提高系统的暂态稳定水平。
  (四)对岩滩水电厂的机组进行静态特性和动态特性的试验,并对试验的结果进行录波,然后结合MATLAB/SIMULINK仿真软件,对岩滩水电厂机组中的原动机以及系统中的重要参数进行辨识。最后对岩滩水电厂的微机调速器调节性能和稳定性能进行现场测试,通过性能测试结果可知本文所设计的调速器完全能够满足实际需求。
[硕士论文] 胡弦
水利工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着计算机技术的发展逐步深入到各行各业,经典的控制系统仿真领域也从中受益。以基于matlab的simulink为代表的仿真软件,提供了一种可视化的建模方式。类似的软件操作环境开始大行其道,并逐渐深入人心。揭示这些软件背后的原理,有助于深入理解软件开发过程与仿真软件的实现方法。
  在“互联网+”呼声正高、主张“万物互联”的时代,传统行业不可避免地经历各种尝试,并接受互联网的改造。在这个进程中,工程和研究领域的软件开发也将受到一定的影响。为这些即将到来的改变做好准备,颇有裨益。
  本世纪以来,笼罩在传统软件开发方法上的困境迷雾逐渐被一股敏捷的清风徐徐吹散。软件开发过程不再只是简单地遵循文档驱动的瀑布方法,而是以客户为本,强调迅速得到可以运行的软件。敏捷不仅是一个方法论,还是一组价值观。探讨如何在特定的工程和研究领域使用敏捷的方法进行软件开发,具有积极意义。
  传统的软件架构方式中,出现过以技术为导向的架构方法,spring等优秀框架的出现呼吁更多地放眼于业务。技术、方法只是完成业务的手段,而不应干预面向对象开发的基本原则。当前,单一平台及技术已难以满足日益复杂的用户需要,综观软件行业的优秀实践,实事求是,灵活地运用最为合适的方法和技术,才能获得满意的效果。
  本文以经典的控制系统可视化建模与仿真软件的设计、开发为例,基于java平台及其web技术,灵活运用groovy、python等动态语言,探讨了如何将敏捷思维运用到相关领域的软件开发之中,从而提升开发效率,改善开发过程。
  最终,本文探讨了面向对象的仿真程序的开发方法,完成了仿真软件的开发;探讨了仿真程序的拓展方法,并对线性化的水轮机调节系统进行了仿真与参数辨识,取得了良好的效果。
[硕士论文] 颜宁俊
水利工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:水轮机调节系统是一个集水力、机械、电气为一体的具有非线性和非最小相位的复杂控制系统。该系统的控制器不仅能实现对水轮发电机组转速和出力的调节与控制,同时还是保证水轮发电机组安全稳定运行的核心设备。
  在对水轮机调节系统特性进行分析研究的基础上,建立能反映其本质特性的数学模型并研究合理可靠的控制策略以及过渡过程计算方法具有重要的理论意义和工程价值。
  由于水轮机调节系统具有强非线性,基于经典线性控制理论的方法仅能解决水轮机调节系统在”小波动”条件下的分析与综合问题,难以从根本上解决由于非线性造成的模型失配产生的稳定性和调节性能问题。为此,本文在建立水轮机调节系统非线性模型的基础上,通过数学变换得到水轮机调节系统的线性参数不确定模型;针对水轮机调节系统的线性参数不确定离散模型,为了运用状态反馈对其进行区域极点配置,将其极点配置区域等价转换成一类线性矩阵不等式描述的区域,从而得到其鲁棒D稳定判据以及相应的状态反馈矩阵;为了综合考虑系统的鲁棒D稳定性和动态性能,提出了一种基于使用斐波那契法优化控制参数的鲁棒D稳定控制器设计方法;针对水轮机调节系统的非线性离散仿真模型,研究了基于内、外循环搜索的闭环过渡过程数值计算方法;分别运用所设计的鲁棒D稳定控制器和PID控制器对某机组进行不同水头下的空载扰动仿真试验和不同初始工况下的负荷扰动仿真试验;试验结果表明,与PID控制器相比,鲁棒D稳定控制器不仅能使水轮机调节系统获得更强的对非线性的适应能力,而且还能获得满意的动态性能。
[硕士论文] 魏巍
水利工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:水电站水轮机的水力过渡过程往往伴随着蜗壳水压的骤升和转轮转速的上升,在甩负荷工况下发生事故可能性比较大,稍有不慎就会发生机毁人亡的后果,严重影响水电站水轮机的运行,因此研究仿真分析水力过渡过程已经成为了现如今研究的重点和热点。本文以水轮机水力过渡过程为研究对象,采用一维Matlab数值模拟与三维CFD流场仿真相结合的方法仿真整个水力过渡过程,主要内容包括以下几个方面:
  首先,运用特征线法对水力过渡过程中的压力管道进行数值模拟。首先确定初始的压力水头作为边界条件,经过Matlab计算得到压力管道末端也就是蜗壳进口端流量导出至Fluent读取的文本文件中。
  其次,首先用UG NX10.0对水轮机进行三维建模,然后用ICEM进行模型网格绘制也就是CFD分析前处理,由于实现导叶摆动的话要使用到动网格,因为动网格对网格要求非常高,针对这一状况,在导叶周边采用了设置加密区的方法,因为如果即使加密整个活动导叶模型计算结果并不会因此精确很多而且在计算时特别需要内存性价比比较低。设置额外的网格加密区的话,不仅可以达到计算所需要的精度而且使得网格不会因为太精密使得计算内存不足无法进行。在CFD前处理之后,将网格模型导入Fluent中。编译udf,控制导叶的运动规律。本文仿真的工况是小开度甩负荷工况,采用的是直线式导叶关闭规律。本文做的是1D-3D协同耦合仿真,数据交流问题是本文的主要问题也是亟待需要解决的问题,是1D-3D耦合仿真的重点和难点。尤其是1D-3D协同耦合仿真方法计算效率比较高并且可以获得可视化流场模型
  最后,对仿真结果进行分析,本文仿真的是小开度甩负荷工况,本文主要采取了三组数据来验证:蜗壳进水口流量时域图,蜗壳进水口水头时域图,转轮转速变化时域图。通过这三个参数的特性进行分析,其中蜗壳进水口水头时域图,采用折线式导叶关闭规律时能够有效地避免“尖峰”现象,而且在甩负荷工况末期蜗壳水头的震荡也不明显。转轮转速变化时域图采用折线式的,转轮转速上升值也小很多。
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