开放源代码OpenFOAM中的垂直轴水轮机致动线模拟研究

"这篇学士学位论文探讨了基于致动线方法的垂直轴水轮机数值模拟技术，通过开源软件OpenFOAM实现了一个名为VATT_Foam的求解器，用于三维RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）和LES（Large Eddy Simulation）模拟。论文对比了模拟结果与实验数据，分析了不同叶尖速比下的水轮机性能和尾流特性。" 在新能源领域，潮流能因其巨大的储量、可再生性和高能量密度而备受瞩目，而垂直轴水轮机作为潮流能的主要转换设备，其性能和尾流特性研究至关重要。论文采用OpenFOAM，结合致动线理论和pimple算法，开发了一款全新的求解器VATT_Foam，它能支持对三维流动的RANS和LES两种模拟方式。 在RANS模拟中，VATT_Foam对一个特定垂直轴水轮机模型进行了数值模拟，并将结果与实际试验数据比较。结果显示，在低叶尖速比条件下，RANS模拟的功率和推力系数与实验数据吻合较好，但随着叶尖速比的增加，数值模拟与实验数据间的误差增大，表现为功率系数过高、推力系数过低以及最佳叶尖速比偏高。 进一步的分析揭示，RANS模拟由于其对流场信息的平均处理，无法精确捕捉垂直轴水轮机尾流的细节。为了解决这个问题，论文采用了LES模拟。通过VATT_Foam进行的LES模拟，计算出的功率和推力系数与实验值更加接近，流场的分布（如速度、涡量和压力）更加精细化，能够更好地描述尾流特性。LES模拟在水轮机后1米处的平均流速曲线与试验测量值匹配良好，但同样在高叶尖速比下出现类似RANS模拟的偏差，意味着VATT_Foam中的非定常效应模型还有待完善。 这篇论文深入研究了基于致动线方法的垂直轴水轮机数值模拟技术，强调了RANS和LES模拟在不同工况下的优缺点，并通过VATT_Foam求解器展示了改进的可能性。这为未来优化垂直轴水轮机的设计提供了理论基础和技术工具，有助于提升潮流能转换设备的性能和效率。