海洋潮流能水轮机过流部件磨蚀问题的研究

本课题从实验研究和理论分析两个方面研究海洋环境下，潮流能水轮机在海水、泥沙作用下的磨蚀问题。主要从水力特性、泥沙特性、材料特性、水轮机安装型式等四个方面分别开展实验研究，使用各实验设备和测试设备，分析各特性的影响因素对磨蚀作用的影响及程度。从宏观破坏过程和磨蚀破坏的微观表面显微形貌两个方面分析磨蚀的特点，总结出影响过流部件磨蚀的主要因素和作用，提出海洋环境下水轮机过流部件空蚀与泥沙磨损共同作用下的磨蚀机理。分析影响磨蚀的多种因素的物理属性，确定符合实践工程的材料模型，构建适合海洋环境条件下水轮机的运行磨蚀预估量的多相流数学模型，最终为促进海洋潮流能水轮机的材料选择、优化设计与推动海洋潮流能的规模发展提供理论依据和实证支持。

本项目针对舟山海域含沙水流条件下的潮流能水轮机过流部件磨蚀问题进行机理分析、实验研究与数值模拟。首先研究了亚临界雷诺数下的圆柱绕流和方柱绕流，探究低含沙水流对水中结构物的水动力特性的影响。通过分析柱体尾流区漩涡脱落规律和流场分析探求悬移质对水流紊动扩散的影响。通过翼型设计软件Profili，选用高升阻比的NA63A614，确定各叶素的攻角，MATLAB编程计算叶片参数，对安装角和弦长重新优化。经MATLAB计算的三维坐标导入三维建模软件SolidWorks，得到叶片的三维实体。.利用CFD对潮流能水轮机在清水和含沙水的表现进行对比分析。着重分析水轮机在清水和含沙流场的静压、流线、叶尖涡、涡量强度等水动力参数，初步揭示了水轮机在低含沙水流下的特性。颗粒对水轮机水动力参数有显著的影响，含沙浓度高，流体粘性增强，轴向推力增大；含沙浓度高，颗粒的旋转和碰撞也更加剧烈，消耗压能，水轮机的输出功率降低，某含沙量8%海况的水轮机功率比无沙海况降幅可达20%。低含沙水流对流速的影响体现在远尾流区，含沙浓度高流速在远尾流区的稳定值也略大。.再次，选择Ti5553合金进行了磨蚀实验。在冲击角为30°时，该合金的冲蚀率最大；当冲蚀角小于30°时，随着冲蚀角的增大，冲蚀磨损率随之增大，但是当冲击角高于30°时，随着冲击角的增大，该合金的冲蚀磨损率减小；在较大直径的多角冲蚀颗粒的冲蚀下，Ti5553合金表明出现犁削现象，冲蚀磨损机理不同于球状圆滑冲蚀颗粒；经过ECAP挤压后的Ti5553合金相比未经处理的而言，在相同是冲蚀磨损条件下，重量损失减小了40%，划痕及和冲击坑裂纹的面积减小了62%，灰度值的标准方差也减小为未经ECAP挤压的32%，冲蚀率及冲蚀率曲线波动程度相对较小；经ECAP挤压后，细小、坚硬的α相弥散在较为紧实的β基体内，在冲蚀过程中，α相能够拦截切向沙粒，保护β基体，减缓微切削，改变材料的冲蚀磨损机理为冲击挤压变形，并保持不变。.最后，在两流体模型的基础上，利用k-ε-Ap湍流模型数值计算水轮机过流部件的三维泥沙固液两相湍流，得出单相流动解后，用代数紊流模型求解颗粒相流动，并考虑液相和颗粒相之间相互影响项。根据液相和固相三维流速场的计算结果，采用图尔萨(Tulsa)大学磨蚀研究中心的泥沙磨损模型，预估水轮机过流部件表面的泥沙磨蚀情况。靠近叶片压力面的各流面上压力等值线从进口到