基于LBM方法的潮流能水轮机转子水动力学特性研究

水轮机转子是潮流能发电设备中获能装置的核心部分，其性能优劣直接关系到潮流能开发利用的效率，转子的水动力学特性进行分析，对于水轮机结构优化设计和性能预报有重要意义。.本研究以潮流能水轮机转子为研究对象，采用LBM方法来分析其水动力学特性。在对转子与水流的双向耦合关系进行分析的基础上，提出一种边界条件设定方法。分别通过二维和三维的LBM方法的数值模拟，对几种不同叶片的运动特性进行分析和性能预报，通过与传统数值方法得到的结果对比以及转子模型实验验证LBM模型的正确性。将算法与开源软件整合对分析结果进行可视化，并对GPU加速的LBM并行算法进行探讨。

本项目将格子Boltzmann方法应用于潮流能转换装置的模拟之中，利用该方法进行了导流罩、叶片及垂直轴水轮机的数值模拟工作，验证了该方法在该领域应用的可行性。对格子方法在实际工程问题中应用时的单位转换问题的探索和解决潮流能水轮机大雷诺数流场模拟问题方面有一定的理论上的创新，解决了格子Boltzmann方法应用于工程问题的难点。.对LBM方法进行系统研究，采用标准格子Boltzmann方法，D2Q9模型进行程序搭建，通过对顶盖驱动流、圆柱绕流的模拟初步验证了LBM方法在计算流体领域的可行性，通过与相关文献的对比，验证了基于LBM方法搭建的程序代码运行的正确性。为进一步应用LBM方法进行翼型及水轮机分析打下了基础。针对LBM方法应用在工程中的格子单位转换问题作了一定探索研究，推导出了基本的单位转换公式。.采用格子Boltzmann方法对用于潮流能装置中的梯形和双曲线型导流罩结构分别进行了数值模拟，探讨了不同形式和安装间距对潮流能装置水动力学性能的影响。.对水轮机单个翼型叶片进行了数值模拟对比分析。用动量交换法编程实现了对于翼型升力阻力的求解，用坐标旋转变换的方法实现了翼型攻角变换。关于翼型绕流问题的研究，找到一种限定固壁边界的方法，对NACA0012翼型不同攻角下的升力阻力系数进行了求解，得到了升力阻力系数曲线。通过程序实现了实时运算的可视化翼型绕流效果。.采用基于Smagorinsky模型的LBM-LES方法，实现了潮流能装置周围大雷诺数流场的模拟，并通过对翼型叶片的模拟验证了该方法的有效性与正确性，通过对不同翼型攻角、不同翼型弯度、不同翼型厚度、不同雷诺数等条件下的模拟进行了对比分析，得到了翼型叶片水动力特性随上述不同参数的变化规律。通过数值模拟和比较分析绘制了相应的流线图和水动力学性能曲线。在此基础上，用此方法对三叶片和四叶片的垂直轴潮流能水轮机转子进行了数值模拟和比较分析，得到了叶片数与水轮机水动力学性能的关系及获能系数和变化规律。.基于上述结果，对实现翼型绕流和水轮机的可视化效果进行了相关研究，制作了一个对翼型进行实时运算的可视化模拟分析软件。.基于本项目的研究，发表学术论文7篇，培养硕士研究生3名。