水平轴潮流能发电装置基础冲刷及支撑结构的优化设计

乔永喜

中国海洋大学

摘要：

为了解决能源短缺的现状，潮流能发电越来越受到人们的重视，座海底式潮流能发电装置的支撑结构的研究，有重要的理论意义和工程应用价值。对潮流能发电装置进行CFD计算流体动力学分析，模拟计算潮流载荷。在强潮流环境中，研究基础结构的冲刷很有必要，在涨落潮两种工况下，对基础冲刷进行数值模拟，研究冲刷分布规律。此外，利用冲刷研究的结论，进行冲刷防护的分析和数值模拟。为了提高设计水平和减少工程成本，对支撑结构进行优化设计，在满足设计要求的情况下，得到最优的设计参数。本文研究内容和结论如下：　　分析机组所处的潮流和波浪等环境条件，并通过计算公式推导水轮机运行参数。建立潮流能发电装置整体结构的CAD模型，对整体结构进行涨落潮两种工况的CFD分析，为基础冲刷研究以及结构优化设计奠定基础。　　本文对工程海域的地质条件进行分析，通过经验公式分析基础周围可能的最大平衡冲刷深度，然后在涨落潮两种情况下，进行CFD数值模拟。通过模拟可得到基础周围流速矢量分布、动压力分布以及剪切应力分布，研究冲刷区强弱分布规律。研究各种现有冲刷防护方法和理论，指出它们的使用条件，设计适合本文实际情况的冲刷防护方案，然后对加冲刷防护结构后的冲刷流场进行数值模拟，结果证明了防护措施的有效性。　　本文在AWE中进行支撑结构的参数化建模，选取合适的数学模型，设定多个设计变量。考虑到强度、刚度、振动特性、稳定性、总质量等因素，在AWE中对支撑结构进行多目标优化。借助AWE/DX优化模块，利用DOE算法进行迭代计算，可以得到优化后的变量数据库，按照优化目标,从数据库中选择出最优化的变量参数。优化前后的变量数据对比发现，支撑结构的总质量得到有效降低，并且其它目标变量也符合设计要求。本文研究工作为工程和进一步研究提供借鉴，有重要的学术和实际意义。

关键词：潮流能;发电装置;冲刷防护;支撑结构;数值模拟

授予单位：中国海洋大学

授予学位：硕士

学科专业：机械工程

导师姓名：王树杰

学位年度：2013

语种：中文

分类号：P743.3;TM612

页数：97

在线出版日期：2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）