一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法技术

技术编号:39324595 阅读:12 留言:0更新日期:2023-11-12 16:03
本发明专利技术公开了一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,包括:根据预先建立的流体模型,模拟水轮机旋转对流场的影响,计算流体的各运动参数;基于预先建立的水轮机机组结构模型,采用双向流固耦合迭代求解的方法完成流体模型与水轮机机组结构模型间的数值传递,施加固定约束,计算水轮机机组结构模型的各运动参数。该水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,将水轮机和支撑结构作为统一的体系进行研究,通过数值模拟的手段充分描述出了水轮机整机系统与水体间、水轮机与基础支撑结构间的强耦合作用,能够对潮流能水轮机进行整体性的动力响应分析,阐述机组流激振动机理,为潮流能工程的整机结构设计优化提供了理论支撑与数据基础。据基础。据基础。

【技术实现步骤摘要】
一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法


[0001]本专利技术涉及一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,属于潮流发电


技术介绍

[0002]潮流能具有资源稳定性强、开发利用效率高、节约土地资源等优点,是可再生能源开发利用的研究热点。在各类形式的潮流能水轮机中,水平轴潮流能水轮机具有稳定性较好、效率较高等优势,应用范围最广,技术相对较成熟。目前,水平轴潮流能水轮机整机系统耦合的优化方法还十分欠缺。现有的优化方法大多分别考虑水轮机结构和基础支撑结构,二者间的信息交互仅在水轮机架设于支撑结构的分界面上简单进行。
[0003]这种方法无法整体地考虑结构各部分的工况组合,存在叠加考虑风力、波浪、潮流等海况条件、设计载荷过于保守等问题,致使结构设计重量偏大,显著影响建设成本。而且,这类方法难以描述水轮机叶片与支撑结构的耦合振动现象,也缺乏多荷载耦合作用下的系统动力响应分析,无法合理评价真实运行条件下的整机系统稳定性。
[0004]事实上,水轮机运行是典型的强耦合现象,各个结构体的受力、变形和运动是相互影响、不可分割的,对这种强耦合系统进行整体建模与耦合响应分析是保障潮流能工程稳定性、安全性和经济性的关键。
[0005]可见,为解决上述技术问题,以满足对潮流能水轮机进行整体性的动力响应分析,亟需一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,将水轮机结构和支撑结构作为统一的体系进行研究,通过数值模拟的手段描述出了水轮机机组结构与流体间的强耦合作用,并对水轮机机组结构模型进行动力时程分析,以据此优化机组设计。
[0007]为达到上述目的,本专利技术是采用下述技术方案实现的:
[0008]第一方面,本专利技术提供了一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,包括:
[0009]根据预先建立的流体模型,模拟水轮机旋转对流场的影响,计算流体的各运动参数;
[0010]根据计算的流体的各运动参数,基于预先建立的水轮机机组结构模型,采用双向流固耦合迭代求解的方法完成流体模型与水轮机机组结构模型间的数值传递,施加固定约束,计算水轮机机组结构模型的各运动参数;
[0011]根据计算的水轮机机组结构模型的各运动参数,对水轮机机组结构模型进行动力时程分析,根据系统结构的动力响应特征优化机组设计;
[0012]其中,所述流体模型和所述水轮机机组结构模型根据已有水平轴潮流能水轮机机组资料建立,所述水轮机机组结构模型包括水轮机结构和基础支撑结构及地基。
[0013]进一步的,所述流体各运动参数的计算方法,包括:
[0014]针对流体模型,采取Navier

Stokes方程作为控制方程,运用两步泰勒

伽辽金算法进行数值离散;
[0015]选取湍流模型,施加边界条件,模拟水轮机旋转对流场的影响,计算流体各运动参数。
[0016]进一步的,所述水平轴潮流能水轮机叶片直径为D,流体模型计算域顺水流方向上、下游距桩基轴心各4D、6D,横水流方向左岸、右岸边界距桩基轴心各2.5D。
[0017]进一步的,所述流体模型包含直径2D的旋转域网格和除旋转域网格之外的静止域网格;
[0018]所述水轮机结构和基础支撑结构之间通过梁单元衔接。
[0019]进一步的,所述流体模型的离散网格选用六面体形状单元;
[0020]所述水轮机机组结构模型中,水轮机结构部分的离散网格选用四面体形状单元,基础支撑结构及地基部分的离散网格选用六面体形状单元。
[0021]进一步的,所述湍流模型的选取采用下述条件:
[0022]采用大涡模拟求解湍流运动,选用标准Smagorinsky模型,其湍流动力粘滞系数μ
t
由下式获得:
[0023][0024]式中,ρ为流体密度,C
s
为经验常数,取值0.18,Δ为模型滤波尺度,Δ=(Δ
x
Δ
y
Δ
z
)
1/3
,其中,Δ
x
、Δ
y
、Δ
z
分别为网格单元各方向长度,为剪切变形张量,其中u为流体速度。
[0025]进一步的,所述边界条件的施加采用下述条件:
[0026]流体模型的上、下游进出口给定速度边界条件,并采用对数律分布;
[0027]流体模型的侧壁与顶部边界均采用滑移固壁条件,壁面法向速度为0;
[0028]流体模型底部采用无滑固壁条件,壁面各向速度均为0;
[0029]下游出口顶部所有结点均为压力参考点,结点压力为0。
[0030]进一步的,所述水轮机旋转的模拟条件包括:
[0031]流体模型的旋转域网格按水轮机转频绕中轴旋转,流体模型的旋转域网格与静止域网格之间通过滑移网格面衔接,在滑移网格面上采用非协调网格隐式插值格式,具体为:
[0032]Α

x

=b

[0033]式中,A

和b

分别为由原系统矩阵A和原右端项b变换后的新系统矩阵和新右端项,Α

=C
T
ΑC,b

=C
T
b,其中,C为旋转域网格滑移网格面结点变量x与静止域网格滑移网格面结点变量x

间的线性插值系数矩阵,x=Cx


[0034]进一步的,所述流体模型与所述水轮机机组结构模型间的双向流固耦合的施加条件包括:
[0035]在流体模型和水轮机机组结构模型交界处采用双向流固耦合边界条件,具体为:
[0036][0037]式中,d
f
、d
s
分别为流固耦合面上流体和固体的位移,τ
f
、τ
s
分别为流固耦合面上流体和固体的表面应力,n为耦合面的法向向量。
[0038]进一步的,所述固定约束的施加条件包括:
[0039]水轮机机组结构模型的地基底部采用固定约束,所有方向位移均为0;水轮机机组结构模型的地基各侧壁均采用法向固定约束,壁面法向位移为0。
[0040]与现有技术相比,本专利技术所达到的有益效果:
[0041]本专利技术提供的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,将水轮机和支撑结构作为统一的体系进行研究,通过数值模拟的手段充分描述出了水轮机整机系统与水体间、水轮机与基础支撑结构间的强耦合作用,能够对潮流能水轮机进行整体性的动力响应分析,阐述机组流激振动机理,为潮流能工程的整机结构设计优化提供了理论支撑与数据基础。
附图说明
[0042]图1是实施例一提供的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法的流程示意图;
[0043]图本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,包括:根据预先建立的流体模型,模拟水轮机旋转对流场的影响,计算流体的各运动参数;根据计算的流体的各运动参数,基于预先建立的水轮机机组结构模型,采用双向流固耦合迭代求解的方法完成流体模型与水轮机机组结构模型间的数值传递,施加固定约束,计算水轮机机组结构模型的各运动参数;根据计算的水轮机机组结构模型的各运动参数,对水轮机机组结构模型进行动力时程分析,根据系统结构的动力响应特征优化机组设计;其中,所述流体模型和所述水轮机机组结构模型根据已有水平轴潮流能水轮机机组资料建立,所述水轮机机组结构模型包括水轮机结构和基础支撑结构及地基。2.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,所述流体各运动参数的计算方法,包括:针对流体模型,采取Navier

Stokes方程作为控制方程,运用两步泰勒

伽辽金算法进行数值离散;选取湍流模型,施加边界条件,模拟水轮机旋转对流场的影响,计算流体各运动参数。3.根据权利要求1所述的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,所述水平轴潮流能水轮机叶片直径为D,流体模型计算域顺水流方向上、下游距桩基轴心各4D、6D,横水流方向左岸、右岸边界距桩基轴心各2.5D。4.根据权利要求3所述的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,所述流体模型包含直径2D的旋转域网格和除旋转域网格之外的静止域网格;所述水轮机结构和基础支撑结构及地基之间通过梁单元衔接。5.根据权利要求4所述的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,所述流体模型的离散网格选用六面体形状单元;所述水轮机机组结构模型中,水轮机结构部分的离散网格选用四面体形状单元,基础支撑结构及地基部分的离散网格选用六面体形状单元。6.根据权利要求2所述的水平轴潮流能水轮机一体化结构优化方法,其特征是,所述湍流模型的选取采用下述条件:采用大涡模拟求解湍流运动,选用标准Smagorinsky模型,其湍流动力粘滞系数μ
t
由下式获得:式中,ρ为流体密度,C
s
为经验常数,取值0.18,Δ为模型滤波尺度,Δ=(Δ
x
Δ
y
Δ
z
)
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【专利技术属性】
技术研发人员:孙长平
申请(专利权)人:中国长江三峡集团有限公司
类型:发明
国别省市:

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