基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置流固耦合研究

Tidal energy is a clean pollution-free green renewable energy, with the characteristics of large reserves, wide distribution, predictability, little environment pollution etc.The trend of energy utilization is the main form of tidal power, current research and applications are mostly floating tidal power generation device. This project is based on the vertical shaft turbine floating tidal power generation device, using the surface panel method and potential eddy theory, based on the analysis of the free surface Green function method for three dimensional hydrodynamic theory, study on the wave, current, vertical shaft turbine, floating carrier, mooring chain coupling mechanism, establishment of wave, current action, based on the vertical shaft turbine floating tidal power generation device of the movement and load numerical simulation method; design of test model and device, through the model test and further reveals the vertical shaft turbine, floating carrier and mooring chain coupling mechanism and the influence law, and further improve and perfect the method of numerical simulation. The completion of the project will provide theoretical basis and technical support for engineering application of the floating tidal power generation devices based on the vertical shaft turbine.

潮流能是一种清洁无污染的绿色可再生能源，具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等特点。潮流能利用的主要形式是潮流能发电，目前研究和应用较多的是漂浮式潮流能发电装置。项目针对基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置，采用面元法、势涡理论及基于解析的自由面格林函数方法的三维水动力理论，研究浪、流作用下，竖轴水轮机、浮式载体、系泊链间的耦合机理，建立浪、流作用下，基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的运动与载荷数值模拟方法；设计试验模型和装置，通过模型试验进一步揭示竖轴水轮机、浮式载体和系泊链间耦合力学机理和影响规律，并进一步改进和完善数值模拟方法。项目的完成将为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的工程应用提供理论基础和技术支持。

潮流能是一种清洁无污染的绿色可再生能源，具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等特点，其中漂浮式潮流能发电装置是目前研究热点对象，对于竖轴漂浮式潮流能发电装置的研究，主要集中在竖轴水轮机、浮式载体及系泊系统方面，然而对于风、浪、流环境下，竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统的耦合预报和耦合作用机理研究较少。现阶段，基于竖轴水轮机的潮流能发电装置已经进入实验示范阶段，研究风、浪、流环境下，竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统的耦合作用及机理，可为电站设计方法、性能预报以及长久稳定运行，提供重要参考，具有极为关键的作用。. 本项目通过CFD方法，对竖轴水轮机振动运动中，不同因素（振荡频率、振荡幅值、速比、叶片数、密实度及转矩分析）对叶轮受力的影响、竖轴水轮机的流场特性及叶片受力进行计算、分析。然后，基于三维势流理论，以浮式载体为研究对象，考虑竖轴水轮机和系泊锚链的耦合作用，建立在浮式载体时域耦合运动方程基础上的耦合计算方法，把水轮机旋转、主轴载荷及流场变化等效为时域耦合运动方程的附加质量和附加阻尼修正，以及系泊链的影响等效为系泊力修正，建立修正后的耦合计算数学模型，初步确立风、浪、流环境下基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的系缆拉力和运动响应预报方法。. 由于基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置载荷及运动模拟复杂多变，简单用数值模拟的方法，难以得到准确真实的结果，因此本项目对于研究其性能及耦合机理进行了配套的水动力模型试验，水动力试验分两部分进行。第一部分对固定偏角竖轴水轮机进行模型试验，目的是建立竖轴水轮机性能及载荷模型试验测试平台，确定竖轴水轮机水动力性能及载荷的试验测试方法；第二部分对漂浮式潮流能发电装置进行系泊试验研究，目的是为了确定系泊试验应满足的相似条件，并设计了双体船模型和水轮机模型以及两模型单体的连接；给出了测量与调整组合模型重心及转动惯量的方法，完成了基于船模拖曳水池及其附属设备的系泊模拟。测得了不同环境参数下的转动情况、流场情况和主轴载荷，以及耦合作用下的运动情况和系泊链拉力。通过试验的途径，探究水轮机、载体、系泊链之间的耦合机理，对数值计算结果进行有效修正，建立了一套针对该类型电站系缆拉力和运动响应的试验预报方法。