（流体力学专业论文）流水摆式能量转换装置水动力学机理与性能研究.pdf

哈尔滨t 程人学硕十学伊论文 摘要 本文主要是对一种水流能量转换装置一流水摆式发动机的水动力性能进 行分析。 首先，通过对摆式装置的叶片水动力及机构运动特性的分析，建立了机 构运动仿真的数学模型及机构运动仿真程序的编制。在条件相同的情况下， 对机构运动仿真程序的计算结果与水槽模型试验结果进行了对比分析，确定 了运动仿真程序和数学模型的有效性。数学模型的建立，对于深入理解摆式 装置的运行细节以及今后的机构改进具有重要的意义。 其次，对水槽模型试验进行了分析，总结出其性能发挥较好时的叶片偏 角矽及负载电阻r ；分析了电压及叶片横移速度试验数据波动性的根源，并 提出一种对试验数据文件进行简化的方法。 再次，完成了单盘面单流管法的理论推导和计算程序编制，并应用计算 程序计算了平板叶片的水动力性能；通过将计算结果与水槽模型试验结果的 对比分析，确定了将流管法作为摆式机构性能预测工具的可行性，这为工程 实践的前甥性能评估提供了可靠的计算工具。 最后，应用流管法计算程序对其他形式的叶片( n a c a 0 0 1 8 ) 的水动力性 能进行了分析；通过与平板叶片水动力性能的对比，分析了n a c a 0 0 1 8 翼型叶 片具有较好的水动力性能的原因。 关键词：摆式发动机；动能；能量转换；运动仿真：水动力性能；流管法 哈小l - p , 一 , 只m r i ：1 人学硕十学何论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si s m a i n l yt oc a l c u l a t et h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fan e w s w i n g 。t y p ed e v i c ef o rt h ec o n v e r s i o no fr e n e w a b l er i v e r o c e a nw a t e rf l o we n e r g y f i r s t l y , t h eh y d r o d y n a m i cf o r c e sa c t i n g o nt h eb l a d ea n dt h em o t i o n c h a r a c t e r so ft h ed e v i c ec o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h em a t hm o d e lo ft h e d e v i c es i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o np r o g r a ma r ee s t a b l i s h e d u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n ，t h ec o n t r a s t sb e t w e e nt h es i m u l a t i o np r o g r a m sc a l c u l a t i o na n dt h e w a t e rc h a n n e lm o d e lt e s tr e s u l t ss h o wt h ev a l i d a t i o no fs i m u l a t i o np r o g r a ma n d t h em a t hm o d e lo ft h ed e v i c es i m u l a t i o n i th a s i m p o r t a n t m e a n sf o r u n d e r s t a n d i n gt h ed e v i c ew o r kd e e p l ya n di m p r o v i n gi to ni nt h ef u t u r e s e c o n d l y , t h er e s u l t so ft h ew a t e rc h a n n e lm o d e lt e s ta r ed e e p l ya n a l y z e da n d t h ec o n d i t i o n sw h e nt h em o d e lp e r f o r m sw e l la r ec o n c l u d e d i ta l s oh a sa n a l y z e d t h er e a s o nt h a tt h ev o l ta n dt h eb l a d e s v e l o c i t yf l u c t u a n ta n dp u tf o r w a r da m e t h o dt op r e d i g e s tt h et e s tr e s u l t s t h i r d l y , t h e t h e o r e t i c a ld e d u c t i o na n d p r o g r a m m i n go f t h ec l a s s i c s i n g l e d i s ks i n g l e s t r e a m t u b em o d e la r ea c c o m p l i s h e da n dt h eh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h ef l a tp l a n eh a sb e e na n a l y z e db yt h ep r o g r a m a c c o r d i n gt ot h e c o n t r a s tb e t w e e nt h e p r o g r a m sc a l c u l a t i o na n dt h ew a t e r c h a n n e lm o d e lt e s t r e s u l t s ，i tv a l i d a t e st h es i n g l e d i s ks i n g l e s t r e a m t u b em o d e la n di sc o n s i d e r e dt o b ear e l i a b l et o o lf o rt h ep r o p h a s ee v a l u a t i o ni nt h ef u t u r ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e f i n a l l y , t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fa n o t h e rb l a d e ( n a c a 0 0 18 ) i s c a l c u l a t e du s i n gt h es i n g l e d i s ks i n g l e s t r e a m t u b ep r o g r a m ac o n t r a s tb e t w e e n t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef i a tp l a t ea n dt h en a c a 0 0 18a r em a d e t h er e a s o nw h yt h eb l a d ew i t ha na i r f o i lo fn a c a 0 018h a sab e t t e r h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d k e yw o r d s ：s w i n g t y p e ；k i n e t i ce n e r g y ；e n e r g yc o n v e r s i o n ；s i m u l a t i o n ； h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ；m o m e n t u mt h e o r e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 立丕墟象 日期：陟罗年月侈扫 哈尔滨i ：拌人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 1 本文的目的和意义 目前，我国经济正处于新一轮高速增长时期。2 0 0 3 年至2 0 0 6 年，连续 4 年g d p 增长都超过了1 0 。2 0 0 6 年，豳内生产总值已经突破2 0 万亿元大关。 伴随着经济的高速增长，我圈的能源需求也呈现了前所未有的高速增长态 势。能源消费总量宙2 0 0 0 年的1 4 亿吨标煤增长到2 0 0 6 年的2 4 6 亿吨标煤， 年均增长速度接近1 0 。2 0 0 5 年，石油进口量达1 3 亿吨，对外依存度高达 4 2 。9 。2 0 0 6 年，石油进墨量达l 。9 3 亿吨，对外依存度已经达到4 9 。2 7 。 因此，我国在新世纪必将面临能源安全与能源环境的双蘑压力。积极丌发包 括水电、风电、太i b l = l 能和生物质能在内的可再生能源就成为我固实现社会经 济持续健康发展的必然选择。 开发和利用可群生能源具有重大的现实意义：首先，从能源安全角度， 发腰可再生能源可以解决能源资源的短缺问题；其次，从环境保护角度，开 发利用可再生能源可以改善我国日益恶化的生态环境；第三，加快丌发利用 可褥生畿源也是落实科学发展观、建设资源节约型社会的基本要求；第四， 因地制宜地开发利用农村地区的可再生能源，可以增加农民收入，改善农村 环境，加快我国农村的城市化进程，是建漫社会主义叛农村的重要途径；第 五，发展可弭生能源，可以形成新的经济增长点，对调整产业结构，促进经 济增长方式转变，扩大就业，推进经济和社会的可持续发展意义重大。 水电，作为可再生能源领域的重要组成部分，具有广阔的发展前景。我 国河流水力蕴藏量约为6 8 亿千瓦，占全世界河流水力蕴藏量的t 0 ，居世界 首位。我国不仅有世界上最高的由脉和高原，发源于青藏高原的长江和黄河 白两向东奔腾入海，巨大的河流落差为我国提供了丰富的水电资源；同时， 我国濒冁太平洋，海疆辽阔，海岸线长达1 8 万多公里，岛屿达6 5 0 0 余个， 潮流能源居世界之首。统计资料表明，我国1 3 0 条水道航i j 潮流能的理论蕴 藏量平均功率达1 4 亿瓦。 哈尔滨工程大学潮流能利用研究课题组在多年的水力学研究实践中不 断总结经验，深入理解水流动能转换机理与物体绕流力学变化规律，通过适 哈尔滨f ：稃人学硕卜学何论文 宣的能量转换机构可实现将潮流或河川径流动能转换为电能并为人们方便 利用。对此，我们提出了建设可利用水流动能发电的新型装置一流水摆式发 动机。与高投入、大规模、集中型的落差水力发电系统穗比，流水摆式发动 机及其发电系统是种适宜于任何地形地貌及地质条件下的小型河流发电 装罨，具有勿需筑坝、机构简单、造价低廉、拆装便利、迁移方便、效赞e 匕 高等诸多优点，非常适合于供给偏远山区的林场、牧场、农场及渔场散户居 民点的只常生活与生产用电。若将摆式发动机单元集结为群，则可用于丘陵 或平原地送( 较) 大型河流豹一定规模发电。 本论文工作是国家自然科学基金项目“流水摆式能量转换装置水动力学 孝几理与性能研究”( 批准号：5 0 5 7 6 0 1 5 ) 和黑龙江省重点科技攻关项量“流 水摆式发动机及发电系统研究”( 编号：g c 0 4 a 3 0 7 ) 的一部分。 1 。2 ；g 潮流动能转换装置研究现状 水流流速动能与风能的利用有许多相似之处，因此一些风机技术被移植 到了水流流速动能发电当中。謦羲，在风电领域中能量转换装置的蕊种主要 类型：水平轴和垂直轴均在潮流能发电中得到应用。 欧美在潮流水轮机与发电系统方面的研发技术已经有了很大进展，萨逐 步从商业示范型的向规模实用型发展。英国m c t 公司于2 0 0 3 年安装并测试 了台3 0 0 k w 双桨叶水平轴商业样机；美国s a n d i a 国家实验室将d a r r i e u s 飙机n3 技术用于潮流发电，d a r r i e u s 水轮祝为垂壹轴固定直叶片水轮视，能 量利用率较低，而且自启动特性较低。为了获得更高的能量利用率，人们又 进行了变功焦水轮视的研究，霉外比较具有代表性的是爱丁堡大学s s a l t e r 乜3 教授提出的力矩控制式转轮和意大利d pc o i r o 教授和a r c h i m e d e s 路桥公司的k o b o l d 水轮机o ”。除了水轮机的形式以外，人们也研究了其他形 式的转换装置，如英图e b 公司的s t i n g r a y h 卜强1 座海底式潮流能转换装置， 它将水流作用在水翼上的水动力通过支撑臂传递给液压系统并驱动液压马 达来产生电力；其运动方式是通过套液压系统控制叶片偏角来实现最佳水 动力功角及水翼往复运动。 霞内河潮流能骈究始子1 9 8 2 年。初瓣，晗工程大学朱典瞬教授带领科 研组首先开展了水轮机水动力性能理论和试验研究，在实验室进行了6 0 w 、 堕笙鏊： 型叁堂塑堂盟迨銮 i o o w 直时蠡谖磊和摆线水轮机模型试验，在叶片控制( 如连秆、凸轮弹簧、 双凸轮式) 等方面做了大量的工作。 鸯1 9 8 5 年开始进行河流电站的萋开究设计，1 9 8 9 年“l k w 直叶片河流发 电装置”在黑龙江省龙凤山水库进行了两个月的发电试验，并通过验收，1 9 9 7 年摆线式水轮机获得图家专剩。 九十年代末，课题组开始研究潮流电站的相关技术，1 9 9 5 年完成了“l o k w 潮流实验电站”技术方案，2 0 0 2 年在舟山海域建成了我困首座“7 0 k w 潮流 实验电站”，并完成了海上试验。 2 0 0 5 年课题组设计建造了一个宽度为1 5 m 的流水摆式试验装置，并于 2 0 0 5 年1 2 月在啥尔滨工程大学循环试验水槽进行了流水摆式发动视及发电 系统的模型试验，采集了大量的试验数据，对流水摆式发动机的水动力性能 及机构运行规律有了深入的了解。在此基础上，通过对机构设计方案的多次 论证优化，课题组于2 0 0 6 - - 2 0 0 7 年完成了一个尺度为6 2 m 的流水摆式发动 机及发电系统示范样机的设计方案，并完成了样机部件的选购、加工及组装， 准备于2 0 0 8 年在哈尔滨工程大学船模水池进行拖曳试验。 1 。3 河潮流动能转换装置水动力学理论研究综述 在设计建造一个河潮流动能转换装置之时，必须对装置的水动力性能 进行准确的预报。目前比较成熟的理论预报方法主要有两种：基于动量定理 的流管法和基于势涡理论的涡方法。 1 ，3 。1 流管法 为计算薤直轴d a r r i e u s 飙机的气动特性，t e m p li n 于1 9 7 4 年第一个提 出了基于动量定理的单盘面单流管模型h 1 ( s in g l ed i s ks i n g l es t r e a m - t u b e m o d e l ) 。该模型将风机叶轮简化为被一个流管包酮的盘西( a c t u a t o rd i s k ) ， 并假设整个盘面上叶片诱导速度均匀分布，将所有叶片经过流管上游区域和 下游区域的作用力之和作为该流管上的外力，应用动量定理建立联系这一外 力和流管动量变化的方程式，从而求解出诱导速度，然后计算叶轮的气动性 能。 1 9 8 0 年，s u l1 iv a n 和l e o n a r d 采用该模型对垂直轴d a r r iu e s 风机叶片 哈尔滨j ：稃人：i 顶十学f 秒论文 m i h ii i i i i i i ii i 的气动性能进行了计算和分考厅，结巢证明这静方法在低速比帮低密实凄情况 下，预报风力机的整体气动力脾i t - 厶匕i = ：i 二是可行的m 1 。这种模型相对简单，但是不 能反映转予作雳盘瑟范围内上游区域和下游区域以及垂赢于流向不同位置处 的流动参数的变化，因此是一种比较粗糙的方法。 为了提高流管模型预报的精确性，2 0 世纪? 0 年代中后絮发展出许多单 盘面单流管模型的改进形式，其中著名的有1 9 7 5 年s t r i c k l a n d 提出的单盘 面多流管模型睁3 ( s i n g l ed i s km u l t i p l es t r e a m t u b em o d e l ) 。该方法在单 盘面单流管模型的基础上，将转子作用盘面沿垂直于来流的方向细分成多个 独立微流管，假设每个流管均同来流方向平行，且流管截面上的诱导速度均 匀分匆，对每个流管分别运用动量定理求解其诱导速度，从而得到时轮的气 动性能。单盘面多流管模型考虑了垂直于来流方向上流动参数不同的影响， 理论上眈单盘面单流管模型显得更合理。 1 9 8 1 年，p a r a s c h i v o i u 提出了双盘面多流管模型n 0 1 ( d o u b l ed i s k s m u l t i p l es t r e a m - t u b em o d e l ) 。该模型采用同单盘面多流管模型楣同的流管 细分方法，即在轮机盘面处沿垂直于来流方向细分多个独立微流管；不同之 处在于将每个流管进一步细分为上游区域和下游区域，并将上游流管的尾流 速度作为下游流管的来流速度，分别建立动量方程并独立求解上、下游盘面 处的诱导速度。双盘面多流管模型既考虑了垂直于来流方向流动参数的不同， 又考虑了转子作餍盘蠢上游区域对下游区域的影响，提离了计算的准确性， 但浚模型假设上游盘面和下游盘面的各个微流管的诱导速度分别相同，没有 考虑同一盘嚣处不同流管诱导速度的差异。 1 9 9 0 年，s h a r p e 对p a r a s c h i v o i u 提出的双盘面多流管模型进行了改进 1 ：不仪假设每个微流管上、下游盘西处的诱导速度不楣同，面且假设上游 盘丽和下游盘面不同微流管的诱导速度也不相同。同时，s h a r p e 在流管的扩 张效应、叶片的非定常运动效应等方恧做了大量修正，使得该模型更趋完善。 1 3 2 涡方法 出1 3 。l 小节可知，基于动量定理的流管法在 算流场细节及预报风机 叶片的非定常特性时存在一定困难，为了能准确预报风机叶轮的瞬时气动载 荷，人们逐渐发展出另一种理论预报方法，即涡方法。 堕! ! 亟! 型叁 i i ii i i i i 1 9 7 8 年，箨i i s o l 3 计算 g ir o m i1 1 风机叶轮气动性能 时提出了v o r t e xs h e e t 模型， 瞰3 ：用无限多叶片数的风轮 一 代替实际风轮，即假设叶片 数z 专o o ，叶片弦长c 寸0 ， 图1 1 1w i l s o n 的模型中涡片分布示意图 而保持z c 为常数。这样就可 以厢分剐布置在叶片轨迹孱上游半匿弧和下游半匿弧上，强度耀等、符号相 反的附着涡片来代替无限多的叶片，并且使涡量守恒；而尾涡则用9 0 。和2 7 0 。方位蹙处的两条无限长的平行于来流的常值涡线来代替，如图1 il 所示， 其强度可以通过9 0 。和2 7 0 。方位角处附着涡片强度的改变、转子转速和尾 涡脱泄速度来确定；最后写出用附着涡强度和诱导速度表示的风枫叶轮气动 力性能的基本表达式。由于该模型只建立了诱导速度和附着涡强度的关系式， 无法确定它们的具体值，所以只能得到叶轮性能的极限值，该极限值同b e t z 动量定理的极限值一致。v o r t e xs h e e t 模型属于固定涡模型( f i x e d - w a k e v o r t e xm o d e l ) ，成为旋涡理论模型的基础。 1 9 7 9 年，s t r i c k l a n d 等入提出了v - d a r t 模型n 3 1 ，该模型也是基于升力 线理论。将叶片沿展向分为多个 一 辜凳；兰蓁磊尘凳薹集蓑喜篓藿c 墨。譬、，- ，p上布置一条附着涡线来代替该段掣i 、一i ：_ p ，、t ： 叶片。由于附着涡大小翳变化，章，o 。； 将脱泄出展向尾涡，尾涡的强度 、 等于附着涡强度的改变。将尾涡 q 。 用离散的自由涡线代替，则附着图1 。1 2 叶片段的附着涡和离散尾涡 涡和离散尾涡的强度满足k e l v i n 的涡量守恒定理，可表达为 哗+ 哕= 哆玲( i - 1 ) 其中，i 是第足时l i j j 步尾涡强度，哕、f 芦叫是第尼和七- i 时问步附着涡 哈尔滨j ：群人硕十学伶论文 强度。 叶片单元的附着涡和尾涡如图1 1 2 所示。为了求得分布涡的强度，需要 补充叶片楣对速度和附着涡强度f ，的关系式。于是s t r i c k l a n d 等人提出 了将单位展长叶片所受的升力和叶剖画升力系数联系起来的k u t t a 条件，即： 1 r r = q c 珞 ( 1 2 ) 这样就可以求出附着涡和尾涡的强度。丽流场中各点的诱导速度可根据 这些分布涡的强度和位置由毕奥一萨伐尔定律得到，叶片载荷和转予性能也可 以相应的求得。v - d a r t 模型是自由涡模型( f r e ev o r t e xm o d e l ) ，但是该模 型依赖于叶片翼型静态试验数据，即无法考虑叶片的动态效应，从而导致叶 片瞬时受力的计算不准确。 d 。v a n d e n b e r g h e 和e d i c k 于1 9 8 7 年提如另一种螽由涡模型秘引，该模 型不再用无限多叶片数的叶轮代替实际叶轮，而是将尾流的一定区域进行分 格，将位于单元格肉的尾涡丝离教到单元格的蹈个节点上进行计算，尾漏丝 的位置由它所在点的当地流速确定，并且在计算叶片瞬时载荷时考虑了动态 失速效应。该模型适焉于计算大展弦比叶片的风机叶轮气动性能。 2 0 0 1 年，阿根廷的p o n t a 和 j a c o v k i s 提出了一种将自由涡模型和 有限元分析结合起来的分区计算模型 一f e v d t m 模型“引。这种模型将计算区 域分成大小霆叠的穗部分，如图i 。i 3 所示，小的计算区域包括叶片及其周 围的流场，大的计算区域包括整个轮 机叶片所在的区域。具体计算时，在 图1 1 3f e v d t m 模蹙计算嚣域划分 大的区域中粟用和s t r i c k l a n d 的v - d a r t 模型相似的自由涡模型进行计算； 而在叶片周阑的小区域内采用有限元方法计算。通过大区域的自由涡模型计 算得到小区域外边界上的速度和压力等物理量，作为小区域有限元分析的外 边界条件，褥加上小区域的内边界条件，可以求解出小区域的流场；沿叶片 边界对速度进行曲线积分可以得到附着涡强度，用这一强度在大区域中重新 哈尔滨- i 稗人学硕十学伊论文 进行自由涡模型的计算褥到新的小区域外边界条件；如此迭代童剿各物壤量 收敛后，再进行叶片受力的计算。 近年来还发展溺一些新的基于旋涡理论方法和其它数值计算方法麴模 型，例如加拿大f e r n a n d o 等提出的离散涡( d i s c r e t ev o r t e xm o d e l ) 模型刚 以及希腊l a d o p o u l o s 提出的n o n li n e a rs i n g u l a ri n t e g r a l 方法雏铂等等， 关于这些方法的公开资料较少，其计算效果还有待于进一步的研究。 涡方法尽管能有效地描述流场细节，但是也存在固有的缺陷：首先是不 适于小速比范围的的计算，风机叶轮在小速比运行时，叶片攻角变化幅值很 大，易出现前缘分离流，计算时难以收敛；其次是计算耗时长，不能满足工 程设计中快速预报时轮气动性能的要求。 1 4 本文的工作内容 本文是在2 0 0 6 年宽度为1 5 m 的流水摆式发动机及发电系统模型试验 8 研究的基础上，进一步深入研究流水摆式发动机及发电系统的水动力性能以 及机构运动特性。 本论文主要完成了以下几方而工作： ( 1 ) 分析机构运行规德并建立运动仿真数学模型。 ( 2 ) 根据所建立的数学模型，研究其计算方法，应用f o r t r a n 语言编 写了摆式发动机及发电系统性能预测程序。 ( 3 ) 深入分析和处理模型试验数据，并提出了一种简化试验数据文件 的方法。 ( 4 ) 试验数据与运动仿真计算结果的对比分析，总结规律。 ( 5 ) 根据摆式机构运动的特点，应用流管法进行摆式机构的水动力学 牲麓预报，并探索摆式概念最优能鬟利焉率躺产生条件。 坚：i 鋈! j 至垒耋墼圭：堡鎏苎 第2 章流水摆式装置运动仿真的数学建模 从工程实际应用的角度讲，能量转换机构的能量利用率越高越好；从殴 计理论与设计方法的角度讲，理论计算与试验或实际的发动机的真实性能越 接近越好。这就需要首先弄清发动机叶片工作的水动力学原理，建立其数学 模型。本章的主要内容是对叶片进行水动力分析及发动机运动机理的数学建 模，为找到能量利用率较高的流水摆式发动机应具有的特点打f 基础。 2 1 摆式机构组成及功能 如图2 1 、2 2 所示，流水摆式发动机的叶片是垂直地安装在个水平轨 道上，水流推动叶片并带动发动机沿轨道运动，叶片自身并不旋转。通过角 度限位销来调整叶片与水流方向之叫的夹角，可使发动机工作在小同的水动 力状态下，从而使叶片受到的力不同，发动机的输出功率也不同，在相同流 速情况f 输出的屯能就不同。 幽2l 摆式发动机横性正视示意旧 塑尘量! 垒垒：堡! ；i 堡垒圣 图2 2 摆式发动机模型上视示意图 整套机构主要由支撑系统、叶片、川片运动机构、抉向机构、机械传动 系统、以及发电系统等组成。它们的功能特征如下。 支撑系统主要是对其他机构部件提供支撑作用。 叶片运动机构与叶片共同运动并将叶片上受到的水的作用力传递给机械 传动系统，叶片偏角通过运动机构的角度限位装置进行限定。 机械传动系统除了具有将作用力传递给发电系统带动发电机产生电力的 功能，还通过链轮机构将山于叶片的往复运五j j 而产生的两向作用力转换为对 发电系统的单向作用力，使得发电机始终保持同向旋转，持续产生电压输出。 另外，在叶片速度较小时，传动系统将其自动与发电系统分离，直到叶片横 向运动速度达到一定值时爿开始带动发电系统一起运动；而分离时发电机由 于与惯性飞轮相连，可以避免输出电压的快速下降。 换向机构的作用是当t lp 片运动到流道的两侧时通过弹簧产7 l 的拉力或压 力迫使片进行翻转，从而使叶片能够循环往复地运动。 发电机除了发出电压外，还将产，上阻力翘! 并通过传动机构反馈给叶片的 运动机杜j ，这将对叶片的下一步运动，。生影响，m i 阻力矩的大小是山发电机 的特性决定的。 hi ：i ，】知，由于叶片要进行翻转而变述运动使得发屯机不能在转速不变 的情况f 运行，所以产生的阻力矩也是变化的，这种特性决定了其数学模型 小可能像水轮机那样在给定速比的情况下即可计算水轮机的性能曲线而小考 虑传动机构以及发电系统的影响。所以在数学建模h j 应包括以下几个计算模 哈尔滨：程人学硕十学俺论文 块：水动力、叶片运动、翻转、传动及发电模块。 下面将对各模块进行详细的分析，其中传动及发电模块的分析将以模型 试验中的装置为对象。 2 2 叶片的运动与受力 2 ， 。 坐标系及时片运动分析 如图2 3 所示，取大地垒i 垒标系 0 x y z ，0 点位于流道的率点，x 辘沿 来流方向，z 轴沿叶片展长方向，该 坐标系不随时片运动焉变化。0 ；点为 叶片的压力中心，o 点是叶片转轴的 中心并沿着y 轴进行平移运动。够 是叶片弦线a b 与来流方向( 即一x 轴) 的夹角，称为偏角，从弦线a b 出发逆时针为齐，鼷时针为负，其 范围为l 一7 r 2 ，7 t 2 i 。 水流以等速砜港x 轴方向流南 叶片，叶片的横向移动速度为v y ， 方趣为沿着￥轴的正向。分援时假 d 。矿4穆 期缜 ， 】， 矿一 图2 3n u l 片运动分解图 定叶片不动而仅考虑水流相对于叶片的运动，则叶片平移速度分壁v = - v y ；v r 为合速度分量，方向由各速度分量的大小和方向确定；爨为叶片水动力攻热， 即合速度矢量v r 与叶片弦线a b 的夹角，从弦线a b 出发逆时针为征，顺时针 为负；b 为合速度矢量v r 与来流方向( 即一x 轴) 的夹角，从一x 轴出发顺 时针为币，逆时针为负。 为了后续分析和计算的方便，下面将埘各运动相关参量的关系进行定义。 当时片寝动并开始工作后，以上各速度分量及合速度都可视为时黼t 的蠡数。 合速度可用矢量关系式表示 v r = v a + v ( 2 1 ) 合速度大小 l o 哈尔滨i ：程入学硕十学何论文 vr ：踊= 瓣v 。( 2 - 2 ) 定义瞬时速比 兄：m y( 2 3 ) v a 由上式可知，入与v y 同号。 且 p = a 川a n ( 琶) 4 ) 窃= 一p ( 2 - 5 ) 2 1 2 叶片受力分析 考虑单个叶片剖面的受力情况，时片割猫上受到的 乍用力主要由升力、 阻力及俯仰力矩组成，除此以外，还受到由于加速运动( 在起动和翻转时的 菲定常运动) 所产生的其它附加力，在此不妨把这部分力称作流体惯性力强3 ， 在后面进行专门计算。 考虑叶片剖面上受到的作用力，如图2 3 所示，在t 时刻，单位长度叶片 受水流的作用力( 升力三和阻力d ，) 可表示为 l = c l i 。p v 2 c ( 2 6 ) d r ：c ，妥拶；c ( 2 - 7 ) 作用于整个叶片上的升力和阻力如下 三：b 虹。寻夕r 7 c d t ，江8 ) d ，= f c 。t j l ，p v 2 c d l ( 2 - 9 ) 式中c 和b 分别为叶片的弦长和展长；p 为流体密度：q 、c d 为翼剖面的升 力系数和阻力系数，两者随时片水动力玫角岱的变化丽变化，藤攻角口又随 时阳lt 的变化而变化。 哈尔滨r 种人学硕士学何论文 在点0 。处，l 、队沿o x 及o y 上投影可得f x 、f y ，如下 f x l = l s i n ( f 1 ) + d ，c o s ( p ) f y l = lc o s ( p ) 一d ，s i n ( f 1 ) 俯仰力矩 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 必o = l c mo j p v z rc 2 d l ( 2 1 2 ) i z 则叶片运动时转轴中心( 点o ) 所受推力，。，横向力e ，扭矩m 。为 f x = f x 。 ( 2 1 3 ) 目= f y i ( 2 1 4 ) m z = f y l 0 l o c o s ( o ) + f x l 0 1 0 s i n ( o ) + m o ( 2 1 5 ) 其中m 。顺时针为正，逆时针为负。根据薄翼理论，平板叶片的压力中心在距 首端的1 4 弦长处。 由于叶片的运动是循环往复式的，则当发动机稳定运行后，水动力及功 率输出等各项参数在一个周期内是变化的，但在各个周期内将是相同的；所 以对于各项性能参数的评估应以一个周期为单位，即叶片往复运动一次而回 到起始点所经历的时间。现定义参数如下 瞬时输入功率 咒= 以 ( 2 1 6 ) 瞬时输出功率 瞬时能量利用率系数 平均速比 平均水动力功角 平均输入功率 平均输出功率 艺，= 百v z = 彬g q 2 嘉 五p j 蹴 d 九= 丁 一 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 西一 私一， 磁了只1学挈 = = 眨 巴 哈尔滨i ：稃人学硕+ 学何论文 平均能量利用率系数 系统效率 分t 三p 坐v ) d b 刁专 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 其中，r l 为发动机效率，m g 为电机转轴所受到的扭矩，d 是叶片一个 行程长度，b 是叶片展长，t 是发动机运动周期。 2 1 3 叶片附加质量 叶片在水流中加速运动时，由于附加惯性力的作用，其质量相当于在真 空中运动时的叶片自身质量m 增加一个叶片的附加质量m ；附加质量由物面 上的单位运动绝对速度势够决定，与流体密度、物面形状和运动方向有关， 与时i 自j 无关。 平板叶片的弦长c 在平行于水槽壁方向上的投影为c c o s 妒。根据j n 纽曼的船舶流体动力学中提到的简单形状物体附加质量计算方法，可以 得到平板叶片的近似附加质量m ： 、2 = 矽fc o s 妒l ( 2 - 2 5 ) m c o s 2 矽l妒i 2 3 碰撞翻转过程 叶片的碰撞翻转能否顺利实现，是关系到流水摆式发动机能否正常运转 黧三_ 柔粟翼霎三嘉茅笺嚣票霉型i ：翻转，流水摆式发动机才能够正常运 转。 试验模型采取的翻转机构是在叶 l l 片首端左右两侧各安装一个弹簧，再 将弹簧的另端用绳连接到流道相应 侧的擘面处；这样，当叶片向右侧运j 一 动，叶片左侧绳逐渐伸展，当叶片位0 j 移s 大于定值( s 。) 时，左侧绳被 x l l1图2 f a 尔滨i ：样人学硕十学何沦文 拉直，弹簧丌始对叶片施加拉力并逐渐增加当m 为负时叶片丌始翻转，翻 转后，弹簧拉力逐渐降低并当叶片位移s 小于s 。时拉力降为零；此时叶片将 在无弹簧力的情况下向z c ：侧运动，直到位移的大小大于s 。之后的运动过程 与右侧时相似；所以叶片向左侧及右侧运动的两个行程就构成了u | _ 片运动的 周期，而叶片就将这样周而复始的运行f 去。 如图2 4 所示，叶片进入弹簧作用范围内的受力分析如下 凡= f x l ( 2 2 6 ) r = d 1 + 船( 2 - 2 7 ) m z = 如a o c o s ( u 、 oo3o 6o9i _ 2i5182124 r 0 圈51 2n a c a 0 0 1 8 翼? i l ! n ” 的c r 项速比曲线 崮51 ：；p 板 i 片的z c d arl ，+ r ，一一，项逑比曲线 幽51 4 平板l i ij 的。项逑比曲线 ( a ) n a c a 0 0 1 8 翼型叫h 诱导述度曲线( b ) 甲板i i 瞬导进度曲线 幽51 5n a c a 0 0 1 8 爨哩片和平板叫片的诱导述：f 述比曲线 对比陶5l l 一例5 1 4 可以看出，n a c a 0 0 1 8 翼型叶片与平板叶片 7 r 兰兰丑( + ( 1 一“) ! ) 项上相瓦| 1 l j 的差别不是很人l i 随着述比的增加旱1 ：5 f - 趋 u 势，而j 埘种叶片的c 。项曲线则差异明显。在罔51 2 和幽51 1 叶1 可以霸m c 。 曲线的总体趋势是下降的，但总会花某个述比时突然跃起产生峰值l | 后卜降， 另外，平板叶片曲线的峰值在较低速比f 即出现f h 4 ：明显| i 此时e j 一其 7 r 等丑( 才+ ( 1 一“，! ) 项仍然较小，【i ；i 【此两项的乘, l q h l j 叶1 的能鞋利川率( 0 较 u 小：c 。曲线仡峰值之后随速比增力而迅述卜降使得冉榭刈较人述比叫叶片的 哈尔滨j 一程人学硕十学位论文 试验值( 图5 1 8 ) 的对比分析，可知c ，曲线峰值出现时刻叶片的水动力助 角是叶片升力系数处于较大值的时刻，而由于n a c a 0 0 1 8 翼型叶片的升力系数 峰值角要明显比平板叶片的小，因此在偏角妒 3 0 度而其他参数相同的情况 下，随着速比的增加( 即水动力攻角口的逐渐降低) 平板叶片必然会在相对 较低速比下出现c ，曲线峰值：当水动力攻角口小于半板叶片的升力系数峰值 角后，平板叶片的升力系数一直呈下降趋势，而n a c a 0 0 1 8 翼型叶片的升力系 数将在其升力系数峰值角处出现峰值后才下降，而此时速比及 ” 二兰, t ( 2 2 + ( 1 一d ) 2 ) 项已经相对较大，因此n a c a 0 0 1 8 翼型叶片会产生较大的 口 吸收功率及能量利用率。另外，从图5 1 8 可以看出平板叶片的阻力系数相对 较大，这将对c ，的计算产生不利影响。 图51 6n a c a 0 0 1 8 翼性叶片的水动力攻角述比曲线 幽51 7 平扳叶片的水动力攻角述比曲线 堕垒鎏! ；垒查茎至圭：薹堡篁圣 图51 8n a c a 0 0 1 8 翼型n l 片( r e 36 e 5 ) 与平扳叫片的升料力曲线 53 本章小结 根据摆式发动机的特点，本章介绍了单盘面单流管法并将其对叶片水动 力性能的计算结果与水楷模型试验中的固定偏角变负载试验和运动仿真程序 的计算结果分别进行了对比。通过分析，验证了流管法的准确性，这为流水 摆式装置水动力性能预报提供了参考依据；同时，指出了运动仿真数学模型 存在的缺陷及改进建议；分析了流道宽度d 对叶片水动力性能的影响，计算 了n a c a 0 0 1 8 翼型叶片的水动力性能并与平板叶片进行了对比，得出其具有较 好的水动力性能的原因在于它的水动力特性。 哈尔滨一i ：张人学硕十学伶论文 结论 通过本项研究工作，可以得到以下结论： 1 通过对叶片水动力及摆式能量转换装置运动的分析，建立了水槽试验 模型运动仿真的数学模型，并与水槽模型试验结果进行了对比，验证了数学 模型的有效性，对机构运动细节及各组成构件的性能有了一定的了解，为试 验装置的改进提供了依据。 2 根据流管法理论，完成了单盘面单流管法的公式推导和程序编写，通 过怼计算结粟与水槽模型试验结果的对比，验证了将流篱法应用于摆式能量 转换装置水动力性能分析的可行性，可作为摆式装置工程实际应用时前期性 能评估阶段的计算工具。 3 摆式发动机性能在偏角较大( 5 0 度左右) ，小电阻( 5 0 9 2 左右) 时最 佳。 4 。模型试验选用的永磁发电机发电效率较低，影响了发动机性能的发 挥。 5 。相比于平板叶片，应藤水动力特性更好昀翼型叶片( 如n a c a 0 0 1 8 ) 可大幅提高叶片的吸收功率和能量利用率。 由于时闽与条件的限制，本论文中对流水摆式发动机的研究还有不足之 处，对发电装置的优化也有许多待完善的地方，因此建议在今后的进一步研 究中考虑以下几点： 1 在运动仿真的数学模型中考虑叶片诱导速度及动态失速的影响。 2 考虑发动机机构的各项参数如弹簧相对刚度、卷绳轮直径、牙轮传动 毙及嫒性飞轮的转动惯量等对摆式枫构性能的影嗡，遂过各项的缀合分折， 使机构达到最佳的性能。 3 对叶片的附加质量送行深入的试验研究。 4 考虑种偏角控制机构，使叶片总在最优的水动力攻角下运动。 哈尔滨i 仔1 1 火学硕十学位论文 参考文献 1 2 3 4 5 e 6 3 7 8 9 i 0 1 1 1 2 1 3 s h e l d a h l ir e a n db eb l a c k w e l l ：f r e e a i rp e r f o r m a n c et e s t so fa 5 - m e t e r - d i a m e t e rd a r r i e u st u r b i n e s a n d i al a b o r a t o r i e sr e p o r ts a n d 7 7 10 6 3 d e c e m b e r , 19 7 7 s a l t e rsh p r o p o s a lf o ral a r g ev e r t i c a l a x i st i d a l s t r e a mg e n e r a t o rw i t h r i n g c a mh y d r a u l i c s a m a r e c c ，u k ，2 0 0 1 d e c o i r oa n df n i c o l o s i n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fk o b o l d t u r b i n e ，s i n e r g ys y r u p o nv e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n e ，h a n g z h o u ，c h i n a ， 2 4 2 7 1 9 9 8 1 1 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa15 0 k wt i d a ls t r e a mg e n e r a t o r , e t s u t 0 6 0 0 21i 0 0 r e p , d t ip u bu r nn o0 2 14 0 0 s i n g r a yt i d a l s t r e a me n e r g yd e v i c e p h a s e2 ，t 0 6 0 0 218 0 0 r e p , u r n 0 3 1 4 3 3 s t i n g r a yt i d a l s t r e a me n e r g yd e v i c e p h a s e3 t 0 6 0 0 2 3 0 0 0 r e p , u r n 0 5 8 6 4 r j t e m p l i n a e r o d