独立变桨距控制的水平轴潮流能发电机的CFD数值模拟

【摘要】：潮流能是可再生海洋资源的重要组成部分,其可预测性强、稳定性好和资源丰富的优点,使具有巨大开发潜力。近年来,有多种类型的潮流能发电机,其中横轴叶片式发电机因其能量采集效率高而占据着主流位置。从小尺度样机测试到全尺度开放水域安装应用,横轴叶片式潮流能发电设备技术已逐步步入成熟阶段。然而在实际运行过程中仍存在一些在前期设计中没能完全预估的问题,如恶劣环境对叶片和机舱以及支撑结构的影响。本文采用对全尺度模型进行计算流体力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)的数值模拟,对三桨叶横轴叶片式发电机的在剪切流环境下的性能和负载进行了详细计算,着重考察单独桨距控制策略对桨叶非定常载荷的削减作用,其中单独桨距控制方法改转动振幅的正弦方法等。本文采用OpenFOAM开源CFD计算平台,引入针对剪切流条件修正的肛∞SST湍流模型,同时采用滑移网格技术实现单桨旋转的动边界模拟。本文结果表明,在保证发电功率的同时,通过改变转动振幅,可以对桨叶非定常载荷起到削减作用,同时,可以减弱桨的整体倾斜力矩和偏航力矩。此外,文中通过CFD的后处理方法,对近桨处的尾流速度和尾涡及其与发电机水动力学性能的相关性也进行了分析。