基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究與數(shù)值預(yù)報(bào).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(wú)污染的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、分布廣、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)，水輪機(jī)搭載在載體上，構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，將潮流動(dòng)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(dú)特的應(yīng)用背景和優(yōu)勢(shì)。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(jī)分類主要分為水平軸水輪機(jī)

2、式和豎軸水輪機(jī)式。其中，基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置融合了豎軸水輪機(jī)和漂浮式載體的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)制造技術(shù)難度小、成本低、維護(hù)檢修和管理費(fèi)用低、適應(yīng)流向變化、對(duì)吃水要求低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為研究的熱點(diǎn)，并在我國(guó)和意大利等國(guó)有實(shí)驗(yàn)示范裝置運(yùn)行。但是，現(xiàn)階段對(duì)該類潮流發(fā)電裝置的研究多集中在對(duì)豎軸水輪機(jī)、浮式載體和系泊系統(tǒng)的研究，對(duì)豎軸水輪機(jī)、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(bào)研究較少，而這卻是制約該類潮流發(fā)電裝

3、置設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)示范研究和工程應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，本文對(duì)基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置開展其水動(dòng)力性能研究，建立該類潮流發(fā)電裝置水動(dòng)力性能的試驗(yàn)預(yù)報(bào)方法、平臺(tái)和數(shù)值預(yù)報(bào)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(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)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(yàn)的縮尺比，對(duì)雙體船模型和水輪機(jī)模型開展連接設(shè)計(jì)研究，對(duì)發(fā)電裝置模型重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量方法進(jìn)

4、行研究，設(shè)計(jì)開發(fā)模型重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量與調(diào)整裝置，測(cè)量和調(diào)整模型的重心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。然后，開展系泊模擬研究，分別開展系泊點(diǎn)和錨鏈的模擬研究，通過(guò)系泊架實(shí)現(xiàn)系泊點(diǎn)的模擬，通過(guò)系纜實(shí)現(xiàn)錨鏈的模擬。接著，選配系泊試驗(yàn)研究的儀器和設(shè)備，開展測(cè)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(yàn)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(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)方法。
　　在基于豎軸水輪機(jī)的漂浮式潮流發(fā)電裝置系泊試驗(yàn)研究方面，

5、本文首先研究基于豎軸水輪機(jī)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(cè)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(duì)各自的衰減情況進(jìn)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(yàn)中的一些試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析。接著，開展均勻流下水輪機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時(shí)的比較試驗(yàn)研究，對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ偷膫?cè)向位移進(jìn)行比較分析，給出研究結(jié)論。接著又進(jìn)行規(guī)則波環(huán)境下系泊試驗(yàn)研究，研究波高和頻率對(duì)模型系纜拉力和運(yùn)動(dòng)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
　　在基于豎軸水輪機(jī)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(jī)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(shì)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(dòng)力性能分析的時(shí)域耦合分析理論，建立了時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程，給出流力和波浪力的確定方法，給出水輪機(jī)載荷的耦合處理方法。
　　在基于豎軸水輪機(jī)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(jī)的流載荷情況，并對(duì)水輪機(jī)受力進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的等效附加質(zhì)量和阻尼

8、。然后，對(duì)漂浮式潮流發(fā)電裝置的浮式載體進(jìn)行頻域輻射、繞射分析，最后，考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，對(duì)發(fā)電裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了耦合計(jì)算研究，預(yù)報(bào)發(fā)電裝置的錨鏈張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況，并選擇典型工況與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證本文數(shù)值預(yù)報(bào)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(jì)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(shí)域耦合分析基本理論，對(duì)帶浮筒的漂浮式潮流發(fā)電裝置進(jìn)行時(shí)域耦合計(jì)算研究，預(yù)報(bào)