带导流罩的竖轴潮流水轮机水动力性能研究

竖轴潮流发电水轮机是目前广泛实验和研究的潮流能转换装置。它对水深和流速的要求不高，不受来流方向变化的影响，控制结构相对简单，工作可靠。但是在低流速情况下，竖轴水轮机的功率往往过小。为了解决此问题，主要是在竖轴水轮机的两侧安装导流罩，以提高水轮机盘面内的水流流速，但是目前大都还处于试验研究阶段。 本文基于势流理论，首先归纳了用涡面元法计算二维机翼在定常和非定常状态下的受力所用到的数学模型和计算方法，总结了影响数值计算精度的因素。 然后，运用涡面元法计算敞水中竖轴直叶片水轮机水动力性能，将计算结果与实验结果进行比较，验证该方法的可行性。本文的重点是将涡面元方法推广应用到竖轴直叶水轮机在导流罩中工作的情况，建立了带有导流罩的水轮机水动力数学模型，在导流罩和水轮机叶片表面布置线性涡系，给出了数值求解流场的计算方法以及叶片水动力载荷和叶轮水动力性能的计算方法。在此基础上，对于不同长度、不同厚度的导流罩以及导流罩和水轮机处于不同安装间距的情况，计算了水轮机的水动力性能和叶片载荷，研究了导流罩几何形状、参数以及安装间距等影响因素，优化导流罩结构形式，并分析其水动力学干扰机理，为导流罩及其带导流罩的水轮机设计提供一定的理论基础。