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FLOW-3D 应用于潮汐 / 海洋发电方面的水车旋转性能评估

作者:日本大学理工部 海洋建筑工学科系 居驹知树

近年来,各国积极投入再生能源的研究课题,希望能够替代传统濒临枯竭的能源。对一个四面环海的国家而言,海洋工程是一个极其重要的课题。近年来,研究人员提出了多种方案,如风力发电、海洋温差发电,潮汐发电 … 等。

课题研究原理:将一个浮物上安装水车,并放至海洋中,利用海水的运动推动水车发电。由于海水的运动非常复杂,加上安装水车的浮物本身也会随着海洋的波浪运动。

本研究目的:针对浮物上的水车设计,进行其旋转效能的评估。采用的水车为立式水车(如图所示),

水车与风车的设计类似,唯一不同是水车采用流体作为动力源。旋转过程中,叶片背部区域会产生涡流,这会大大影响水车的性能,因此必须对叶片几何外形进行调整。

本文的研究方式,是先采用叶片理论设计出叶片外形,再利用 FLOW-3D 进行数值模拟,测试在不同的水流运动条件下,叶片外形的设计参数对于水车性能的影响。

根据叶片理论,水车在旋转过程中的受力如下图。

相关的公式如下:

水车的叶片外形以 NACA63 3 -018 为基础,相关的参数如表格所示。

并且设计三种不同的叶片外形。

将设计完成的水车模型转成 3D STL 图档,采用 FLOW-3D 的 GMO ( General Moving Obstacle )模块进行流 - 固耦合计算。

采用四种不同的水流速度: 0.8 m /sec, 1.0 m /sec, 1.2 m /sec, 1.4 m /sec 。

如下为 FLOW-3D 模拟结果:


 

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