《基於LBM方法的潮流能水輪機轉子水動力學特性研究》是依託中國海洋大學，由袁鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於LBM方法的潮流能水輪機轉子水動力學特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：袁鵬
- 依託單位：中國海洋大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
水輪機轉子是潮流能發電設備中獲能裝置的核心部分，其性能優劣直接關係到潮流能開發利用的效率，轉子的水動力學特性進行分析，對於水輪機結構最佳化設計和性能預報有重要意義。.本研究以潮流能水輪機轉子為研究對象，採用LBM方法來分析其水動力學特性。在對轉子與水流的雙向耦合關係進行分析的基礎上，提出一種邊界條件設定方法。分別通過二維和三維的LBM方法的數值模擬，對幾種不同葉片的運動特性進行分析和性能預報，通過與傳統數值方法得到的結果對比以及轉子模型實驗驗證LBM模型的正確性。將算法與開源軟體整合對分析結果進行可視化，並對GPU加速的LBM並行算法進行探討。
結題摘要
本項目將格子Boltzmann方法套用於潮流能轉換裝置的模擬之中，利用該方法進行了導流罩、葉片及垂直軸水輪機的數值模擬工作，驗證了該方法在該領域套用的可行性。對格子方法在實際工程問題中套用時的單位轉換問題的探索和解決潮流能水輪機大雷諾數流場模擬問題方面有一定的理論上的創新，解決了格子Boltzmann方法套用於工程問題的難點。 對LBM方法進行系統研究，採用標準格子Boltzmann方法，D2Q9模型進行程式搭建，通過對頂蓋驅動流、圓柱繞流的模擬初步驗證了LBM方法在計算流體領域的可行性，通過與相關文獻的對比，驗證了基於LBM方法搭建的程式代碼運行的正確性。為進一步套用LBM方法進行翼型及水輪機分析打下了基礎。針對LBM方法套用在工程中的格子單位轉換問題作了一定探索研究，推導出了基本的單位轉換公式。 採用格子Boltzmann方法對用於潮流能裝置中的梯形和雙曲線型導流罩結構分別進行了數值模擬，探討了不同形式和安裝間距對潮流能裝置水動力學性能的影響。 對水輪機單個翼型葉片進行了數值模擬對比分析。用動量交換法編程實現了對於翼型升力阻力的求解，用坐標旋轉變換的方法實現了翼型攻角變換。關於翼型繞流問題的研究，找到一種限定固壁邊界的方法，對NACA0012翼型不同攻角下的升力阻力係數進行了求解，得到了升力阻力係數曲線。通過程式實現了實時運算的可視化翼型繞流效果。 採用基於Smagorinsky模型的LBM-LES方法，實現了潮流能裝置周圍大雷諾數流場的模擬，並通過對翼型葉片的模擬驗證了該方法的有效性與正確性，通過對不同翼型攻角、不同翼型彎度、不同翼型厚度、不同雷諾數等條件下的模擬進行了對比分析，得到了翼型葉片水動力特性隨上述不同參數的變化規律。通過數值模擬和比較分析繪製了相應的流線圖和水動力學性能曲線。在此基礎上，用此方法對三葉片和四葉片的垂直軸潮流能水輪機轉子進行了數值模擬和比較分析，得到了葉片數與水輪機水動力學性能的關係及獲能係數和變化規律。 基於上述結果，對實現翼型繞流和水輪機的可視化效果進行了相關研究，製作了一個對翼型進行實時運算的可視化模擬分析軟體。 基於本項目的研究，發表學術論文7篇，培養碩士研究生3名。
