风力提水系统选型及垂直管内气液两相流的CFD数值模拟

作     者：刘志远 

作者单位：华北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张华

授予年度：2014年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：风力提水 风能资源评估 气动式提水系统 气液两相流 数值模拟 

摘      要：我国水资源短缺,特别是广大农村地区用水严重不足。以常规能源消耗来改变农村地区严重缺水现状的方式,会随着资源的不断耗竭,将愈来愈不适应可持续发展的要求。风能技术在清洁能源开发领域中占有重要的地位。风力提水作为有效利用风能的重要形式,可以在有效解决广大农村地区农田水利、人畜饮水、环境保护等方面发挥重要作用,特别是气动式风力提水系统,具有结构简单、提水效率高、经济成本低等优势。因此,针对风力气动式提水系统的研究具有重要的现实意义。 本文简要介绍了国内外风力提水的发展现状,以及气液两相流的研究进展。本文针对内蒙古自治区呼伦贝尔市博克图镇地区进行风能资源评估,得到该地区的风速分布以及风能分布状况,为风力提水系统的选型提供基础。 本文详细对比介绍了风力发电提水系统、活塞式风力提水系统、液体作用式风力提水系统三大类提水系统各自的结构特点以及工作原理,本文认为气动式风力提水系统更适合内蒙古自治区呼伦贝尔市博克图镇地区等偏远地区的提水作业,解决动力能源短缺问题、电网覆盖困难等问题,真正实现风力机与水源分离。 本文应用ANSYS FLUENT14.0软件对气动式风力提水系统的核心部位—空气泵进行了机理研究。采用VOF模型分别对气泡泵和盖瑟泵两种空气泵垂直管内的气液两相流流动进行CFD数值模拟,考虑了不同的淹没深度、不同的进气速度对空气泵出水量的影响。 结果表明：两种空气泵的垂直上升管中,Taylor气泡均间歇地存在于水中,其出水量不仅与进气速度有关,还受淹没深度的影响。在一定淹没深度下,随着进气速度的增加,空气泵和盖瑟泵的出水量均增加,并且空气泵的出水量大于盖瑟泵。由于盖瑟泵的特殊结构,在某种情况下,盖瑟泵的提水性能是优于气泡泵的,流量相对稳定。