柔性叶片潮流能水轮机水动力学特性研究

海洋潮流能作为储量丰富的可再生能源，开发利用潜力巨大，其获能装置及性能是研究的热点和难点。.柔性叶片水轮机作为课题组在海洋潮流能获能装置研究中的创新，在前期模型实验和海试过程中均显示出了优越的水动力学性能。但柔性叶片水轮机基本工作原理、柔性叶片与水流间相互耦合作用和动力机制等理论问题亟待深入研究与探讨。本课题拟探讨柔性叶片水轮机水动力学原理，采用风浪流水槽模型实验与计算流体力学数值模拟方法，研究柔性叶片在水轮机运动过程中的形变规律和受力特性，全面认知柔性叶片水轮机的水动力学特性；分析影响柔性叶片水轮机水动力学特性的主要因素，对其结构、参数和性能进行优化配置，为其在海洋潮流能发电工程中应用奠定理论基础和提供科学依据，并为柔性材料与流体间相互耦合作用的动力学特性分析和数值模拟提供方法和手段。

本课题按照计划进行，完成了任务指标，在以下几个方面取得进展：制定了详细的项目规划、研究方案。在充分检索资料基础上，深入分析了项目组前期模型实验及海上实验的资料，探讨了多种柔性叶片潮流能水轮机数值模拟研究方案，提出了柔性叶片流固耦合的求解思路和运用计算流体力学（CFD）进行柔性叶片水轮机水动力性能数值模拟方法，进行了柔性叶片找形分析；结合柔性叶片水轮机有负获能区的特性，进行了导流罩的设计和水动力学性能数值模拟研究。制定了完善的风浪流水槽模型实验方案，制作了比例模型，进行了水槽模型试验，对数值模拟结果进行了验证。.首先检索了大量的本领域内相关的资料，对海洋潮流能领域的发展状况及最新进展做了广泛而深入的了解，在计算流体力学数值模拟理论和柔性材料流固耦合问题研究技术探讨基础上，提出了柔性叶片潮流能水轮机水动力性能模拟方法。分析了柔性叶片在流体中的流固耦合过程，建立了柔性叶片在流体中的流固耦合控制方程；通过双向流固耦合实现柔性叶片的找形，建立柔性叶片不同转角的物理模型，采用动网格技术，编译用户自定义函数，实现柔性叶片水轮机的数值模拟。.为进一步精确地进行柔性叶片水动力学特性解算，采用DSD/SST方程来解决柔性叶片与潮流的流固耦合问题的方法。采取DSD/SST方程做了柔性叶片数值模拟研究，主要是解决柔性叶片在流场中的找形和受力问题。该方法能准确地得到叶片的变形情况，对叶片的受力的数值模拟结果与实验值在趋势上吻合。研究中发现柔性叶片水轮机存在负获能区的现象，对其对水轮机获能效率的影响进行了研究，考察了柔性叶片水轮机的获能性能与淹没度的关系，设计了一种能够有效遮挡负获能区的导流罩，并对其进行了数值模拟计算。.设计并开发了水轮机试验平台，在风浪流水槽中进行了柔性叶片水轮机水动力学性能模型试验，验证了数值模拟的结果。.结合本课题研究，发表学术论文16篇，参加国际学术会议2次，培养硕士研究生4名。