基于CFD的5 kW ducted 水动力发电机设计优化
流体动力学
2024-11-21 v1
摘要
ducted 水动力发电机通过更好地条件化流动到叶片，从而提高能源收集效率，对于相同参考面积的功率输出可能高于传统的自由流叶片。本文提出了通过同时优化 duct、叶片和 hub 几何形状获得的 ducted 水动力发电机设计。我们的优化框架结合了CFD求解器、adjoints 求解器和梯度-based 优化器，以有效地探索大型设计空间，并采用基于特征的参数化方法处理复杂的几何。实际的几何约束确保了 duct 的制造可行性，包括最小厚度和在 hub 中容纳5 kW 发电机的要求。优化收敛于一个短而薄的 duct，带有圆润的前缘和一个伸出 duct 入口的elongated hub。即使在考虑笨重 hub 的情况下，优化后的 ducted 发电机也达到了最高50%的效率，评估采用RANS/URANS 求解器，尽管 hub 较为笨重，仍优于具有相同 hub 的自由流 Bahaj 发电机的45%效率。这一工作展示了CFD-based 优化在推动ducted 发电机设计方面的有效性，并证明了ducted 配置的水动力优势，为未来的研究和实际应用铺平了道路。
引用
@article{arxiv.2411.13492,
title = {CFD-based design optimization of a 5 kW ducted hydrokinetic turbine with practical constraints},
author = {Jeongbin Park and Marco Mangano and Sabet Seraj and Bernardo Pacini and Yingqian Liao and Bradford G. Knight and Kartik Naik and Kevin J. Maki and Joaquim R. R. A. Martins and Jing Sun and Yulin Pan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2411.13492},
year = {2024}
}
备注
This work was supported by the US Department of Energy under the award "RAFT: Reconfigurable Array of High-Efficiency Ducted Turbines for Hydrokinetic Energy Harvesting" (Award No. DE-AR0001438)