柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究
柔性叶片水轮机是一种新型潮流能能获取装置，采用柔性材料作为叶片，柔性叶片适流形变，可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能，具有较高获能效率，在较低转速下亦具有较好自启动能力，适用流速范围广，同时柔性叶片可适应双向往复来流，竖轴安装能适应各向来流，转子制作简单，叶片安装方便，有广阔的应用前景。但作为一种新型水轮机其流体动力特性有待于深入研究，认知其流体动力里原理，对其性能进行优化研究，以此来获得更高的流体动力性能，为其最终的广泛应用奠定基础。
流体数值模拟现已广泛应用于汽车、船舶、航空、水力发电、环境保护等领域，本文从计算流体力学的角度出发对柔性叶片水轮机进行研究，通过数值模拟方法对水轮机的流体性能进行预测，但因柔性材料在流体中存在复杂的流固耦合关系，流固耦合思路、求解方法等都有待于深入研究完善。
本文结合扑翼研究、帆翼研究、心脏瓣膜、血管瘤等相关知识，学习探讨了流固耦合的基础知识，讨论了流固耦合的实现方法；对单个柔性叶片在流体中的变形进行了流固耦合分析，得到了不同迎流状态下柔性叶片的形状；在柔性叶片水轮机实验研究的基础上，讨论了柔性叶片水轮机流固耦合数值模拟的方法，提出了简化可行的求解思路，使复杂的柔性叶片转动过程的流固耦合过程求解变得经济可行，并对水轮机的流体动力性能进行了有效的预测。
本文主要研究结论有：
◇实现了柔性叶片在流体中的流固耦合分析，为柔性叶片水轮机的流体动力特性数值模拟提供了基础；
◇分析了柔性叶片水轮机数值模拟的实现途径，提出了预测水轮机流体动力性能的简化方法；
◇分析了单个柔性叶片转动的流体动力特性，叶片在一个转动周期内主要承受正向转矩，阻力转矩其主导作用。
◇分析了尖速比、弧弦比、叶片张角等对水轮机性能的影响，尖速比是水轮机的重要性能参数，可为水轮机发电系统的发电机及电控系统的设计提供参考和依据。
柔性叶片水轮机;流体动力;数值模拟
中国海洋大学
硕士
工程热物理
王树杰
2009
中文
TK730.2
61
2009-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）