海洋潮流能水輪機過流部件磨蝕問題的研究

《海洋潮流能水輪機過流部件磨蝕問題的研究》是依託浙江海洋大學，由龔希武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：海洋潮流能水輪機過流部件磨蝕問題的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：龔希武
• 依託單位：浙江海洋大學

項目摘要

本課題從實驗研究和理論分析兩個方面研究海洋環境下，潮流能水輪機在海水、泥沙作用下的磨蝕問題。主要從水力特性、泥沙特性、材料特性、水輪機安裝型式等四個方面分別開展實驗研究，使用各實驗設備和測試設備，分析各特性的影響因素對磨蝕作用的影響及程度。從巨觀破壞過程和磨蝕破壞的微觀表面顯微形貌兩個方面分析磨蝕的特點，總結出影響過流部件磨蝕的主要因素和作用，提出海洋環境下水輪機過流部件空蝕與泥沙磨損共同作用下的磨蝕機理。分析影響磨蝕的多種因素的物理屬性，確定符合實踐工程的材料模型，構建適合海洋環境條件下水輪機的運行磨蝕預估量的多相流數學模型，最終為促進海洋潮流能水輪機的材料選擇、最佳化設計與推動海洋潮流能的規模發展提供理論依據和實證支持。

結題摘要

本項目針對舟山海域含沙水流條件下的潮流能水輪機過流部件磨蝕問題進行機理分析、實驗研究與數值模擬。首先研究了亞臨界雷諾數下的圓柱繞流和方柱繞流，探究低含沙水流對水中結構物的水動力特性的影響。通過分析柱體尾流區漩渦脫落規律和流場分析探求懸移質對水流紊動擴散的影響。通過翼型設計軟體Profili，選用高升阻比的NA63A614，確定各葉素的攻角，MATLAB編程計算葉片參數，對安裝角和弦長重新最佳化。經MATLAB計算的三維坐標導入三維建模軟體SolidWorks，得到葉片的三維實體。 利用CFD對潮流能水輪機在清水和含沙水的表現進行對比分析。著重分析水輪機在清水和含沙流場的靜壓、流線、葉尖渦、渦量強度等水動力參數，初步揭示了水輪機在低含沙水流下的特性。顆粒對水輪機水動力參數有顯著的影響，含沙濃度高，流體粘性增強，軸向推力增大；含沙濃度高，顆粒的旋轉和碰撞也更加劇烈，消耗壓能，水輪機的輸出功率降低，某含沙量8%海況的水輪機功率比無沙海況降幅可達20%。低含沙水流對流速的影響體現在遠尾流區，含沙濃度高流速在遠尾流區的穩定值也略大。 再次，選擇Ti5553合金進行了磨蝕實驗。在衝擊角為30°時，該合金的沖蝕率最大；當沖蝕角小於30°時，隨著沖蝕角的增大，沖蝕磨損率隨之增大，但是當衝擊角高於30°時，隨著衝擊角的增大，該合金的沖蝕磨損率減小；在較大直徑的多角沖蝕顆粒的沖蝕下，Ti5553合金表明出現犁削現象，沖蝕磨損機理不同於球狀圓滑沖蝕顆粒；經過ECAP擠壓後的Ti5553合金相比未經處理的而言，在相同是沖蝕磨損條件下，重量損失減小了40%，劃痕及和衝擊坑裂紋的面積減小了62%，灰度值的標準方差也減小為未經ECAP擠壓的32%，沖蝕率及沖蝕率曲線波動程度相對較小；經ECAP擠壓後，細小、堅硬的α相彌散在較為緊實的β基體內，在沖蝕過程中，α相能夠攔截切向沙粒，保護β基體，減緩微切削，改變材料的沖蝕磨損機理為衝擊擠壓變形，並保持不變。 最後，在兩流體模型的基礎上，利用k-ε-Ap湍流模型數值計算水輪機過流部件的三維泥沙固液兩相湍流，得出單相流動解後，用代數紊流模型求解顆粒相流動，並考慮液相和顆粒相之間相互影響項。根據液相和固相三維流速場的計算結果，採用圖爾薩(Tulsa)大學磨蝕研究中心的泥沙磨損模型，預估水輪機過流部件表面的泥沙磨蝕情況。靠近葉片壓力面的各流面上壓力等值線從進口到