基于BEM的水輪機(jī)流固耦合方法研究.pdf

1、隨著人類社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭同時又伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境問題，潮流能作為清潔的可再生能源，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)有著重要意義。水平軸潮流能水輪機(jī)作為潮流能轉(zhuǎn)換重要裝置，對潮流能的開發(fā)利用起著決定性作用。目前，大多數(shù)基于CFD和CSD的實(shí)現(xiàn)的流固耦合計算方法分析潮流能水輪機(jī)，而在此過程中建模耗時長、計算網(wǎng)格數(shù)量巨大，計算時間長，對計算機(jī)的配置要求高。建立一種高效快速又考慮流固耦合效應(yīng)的方法對潮流能水輪機(jī)發(fā)展有重要意義。葉素動量理論作為

2、高效的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒啓C(jī)水動力性能計算過程中已經(jīng)應(yīng)用與驗(yàn)證，對于細(xì)長體，粱理論實(shí)現(xiàn)了完美匹配，在實(shí)現(xiàn)簡化計算的同時其計算結(jié)果具有一定的參考意義，通過這兩種理論的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)快速高效的計算。
　　本文首先以葉素動量理論為基礎(chǔ)，外加葉尖輪轂修正、三維修正、偏航修正等補(bǔ)充模型建立水輪機(jī)的水動力計算模型。通過與參考文獻(xiàn)中提供的功率輸出和推力的計算對比驗(yàn)證模型是否可行。然后，采用2結(jié)點(diǎn)12自由度歐拉伯努利梁單元為基礎(chǔ)的有限元模型，以Newma

3、rk-β法作為數(shù)值分析方法求解了結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，通過對結(jié)構(gòu)的動力學(xué)和靜力學(xué)計算，檢驗(yàn)方法及程序的有效性。最后以速度和受力作為反饋項建立流體與結(jié)構(gòu)的耦合模型，實(shí)現(xiàn)單向耦合、雙向耦合、變槳、偏航等功能的計算。運(yùn)用該方法進(jìn)行了多流速下葉片載荷、水輪機(jī)性能和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的計算，分析了葉片振動對水輪機(jī)性能的影響，以及偏航作用對于水輪機(jī)流-固耦合下性能的影響，最后通過調(diào)節(jié)葉片剛度的方式考察水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)對水輪機(jī)輸出的影響。計算結(jié)果表明采用基于 BE