关键词：
特斯拉涡轮机
波浪能
数学模型
流体数值仿真
结构设计
摘要：
随着如今世界能源格局的持续变化,地球上原有的化石能源在被大量的消耗,化石能源的储量已经无法支持人们长久的生活下去,未来人们将有能源不足使用的困难。随着能源的缺少以及使用能源所带来的环境污染问题的加重,清洁能源和可再生能源的高效利用将成为当今以及之后的极其重要的研究方向。全球面积大部分为海洋,海洋能源蕴藏量巨大,海洋能的使用量十分丰富,因此合理高效的利用海洋波浪能,研究波浪能发电装置将会为我国在海洋能利用上提供强有力的支持。我国海岛众多,大型装备发电系统,建造费时费力,并且在海岛上的使用经济效益不高,因此研究分布式发电系统就可以对大型发电系统的弊端进行补充,分布式发电系统较为分散且装置体积较小,特斯拉涡轮机作为一种特殊的涡轮机形式,结构简单、成本不高,易于小型化,在小微型发电系统中应用有较大的潜力。但是由于转矩较低,运转时转速过高对材料的要求较高,大型装备中效率也不是很理想,所以自特斯拉涡轮机研发以后,商业应用就受到了限制。本文在传统的特斯拉涡轮机的基础上,通过增加流体进口喷嘴的数量,改变喷嘴入射角度、同时研究圆盘几何结构对特斯拉涡轮机运行性能的影响,对特斯拉涡轮机改进后的模型进行了一维与三维数学模型的建立。通过所建立的数学模型可以计算出特斯拉涡轮机内部圆盘间隙流道内的流体运动速度、压力分布情况,通过数学模型对特斯拉涡轮机的转矩、效率和输出功率进行计算。利用“Fluent2021R1”对特斯拉涡轮机圆盘之间单流道区域进行流体力学的模拟计算,改变喷嘴的数量、角度、以及圆盘外径与内径的比值大小对流体运动特性的影响。然后研究了流体进口速度、圆盘间距、圆盘壁面粗糙度以及圆盘边缘形状对三维流场的影响以及对特斯拉涡轮机运行性能的影响。得出结论,在条件允许的条件下,喷嘴的数量越多越好,流体在圆盘间隙内的分布较为均匀,流体运动特性较好,喷嘴的角度在15°时,流体的运动特性较好;圆盘外径与内径的比值较大时,流体在圆盘上运动的路径较长,传递的能量较多;在三维流场中,通过改变流体的进口速度,发现流体的进口速度越高,圆盘的转速也就越高,输出功率与运行效率也在提高;通过改变圆盘间隙的大小,分别研究0.3mm、0.6mm、0.9mm、1.5mm、2.5mm的间距时的运行效率,发现在0.9mm时特斯拉涡轮机的效率最高,可以达到53.33%;通过改变圆盘壁面粗糙度,研究特斯拉涡轮机的运行性能,可以发现很小的粗糙度值的变化都会影响特斯拉涡轮机的运行效率,但是当粗糙度值增加到一定的数值后,运行效率增加至平稳的范围内;然后对圆盘边缘形状也进行了研究,选取矩形、三角形和圆形进行研究,发现圆盘边缘形状为圆形时,流体在进入圆盘区域时运动特性最好,漩涡现象的出现最少,能量损失最少,特斯拉涡轮机的输出功率和运行效率最好。在此基础上,利用建立的数学模型以及对特斯拉涡轮机简化模型的流体力学分析,将特斯拉涡轮机与聚波越浪式波能转换装置进行了初步的结合,将传统的水轮机用特斯拉涡轮机代替,同时选取波能转换装置,将两者结合起来进行了初步的建模。论文的研究表明,特斯拉涡轮机结构可以紧凑小型化、成本低廉,在小型化装备中效率相对较高的优点,可以将其与小型波浪能装备进行结合,探究特斯拉涡轮机实际应用的潜力。
