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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

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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。
对一个四面环海的日本而言,海洋工程是一个极其重要的课题。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)

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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图。

相关的公式如下:

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

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并且设计三种不同的叶片外形

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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。

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

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如下为FLOW-3D模拟结果:

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