本文以葉片元素動量理論設計水平軸式水渦輪機葉片外型，再利用計算流體力學套裝軟體FLUENT,模擬其流場與壓力場的分佈，計算流體對渦輪機所產生的扭力、功率及效率，並探討自由流速、葉片半徑、葉片數目等參數對水渦輪機性能的影響。研究結果顯示，自由流速及葉片半徑的不同，渦輪機所產生之扭力及功率有顯著的不同。葉片數目不同雖然對渦輪機所產生之扭力及功率也不同，葉片數目愈多，功率愈大，但功率增加之幅度卻愈小。且葉片數目愈多時，會造成流入渦輪機旋轉面的流速降低，使得葉片轉速也必須跟著降低，才能使葉片與流體之間的相對攻角達到其最大之升阻比，進而獲得最大的功率係數。

This thesis investigates the relations between (1) free stream velocity, blade radius as well as the number of blades, and (2) generated torque, power and efficiency in the design of a water turbine. In the study, blade element momentum theory (BEMT) is exploited to devise the shape of the horizontal water turbine.
Further, a CFD package is in used to simulate the flow and pressure fields. The result shows that torque and power generated by turbine vary with such parameters as inlet velocity and blade radii. As the number of blade increases, the generated power is also on the rise but to a lessened degree.It is due to the fact that fluid can hardly flow into the cross section as the blade number increases, which brings about lower cross-section velocity. So the rotational speed should decline as a consequence to obtain the angle of attack satisfying the greatest lift-drag ratio. The largest power efficiency is thus gained.

中文摘要-------------------------------------------------------------I
英文摘要-------------------------------------------------------------II
目錄------------------------------------------------------------------III
圖目錄---------------------------------------------------------------VI
表目錄---------------------------------------------------------------IX
符號說明------------------------------------------------------------X

第一章 緒論---------------------------------------------------------1
1.1 前言-------------------------------------------------------------1
1.2 研究背景與動機----------------------------------------------2
1.3 文獻回顧-------------------------------------------------------3
1.4 海流能介紹----------------------------------------------------4
1.5 海流渦輪機分類----------------------------------------------5
1.6 海流發電前景評估-------------------------------------------6
1.7 影響渦輪機性能之重要幾何參數-------------------------6
1.7.1 葉片數目-----------------------------------------------------7
1.7.2 翼剖面形狀--------------------------------------------------7
1.7.3 葉尖速度比與弦周比--------------------------------------8
1.8 各國海流渦輪機發展情形----------------------------------9
1.9 台灣與海流能------------------------------------------------10
第二章 基本理論與葉片設計----------------------------------13
2.1 本章主旨------------------------------------------------------13
2.2 動量理論分析------------------------------------------------13
2.3 葉片元素理論------------------------------------------------17
2.4 理想葉片外型設計------------------------------------------20
第三章 研究方法-------------------------------------------------24
3.1 統御方程式---------------------------------------------------25
3.2 數值方法------------------------------------------------------25
3.3 紊流模式------------------------------------------------------26
3.4 SIMPLE 演算法---------------------------------------------27
3.5 模型之建構與邊界條件之設定---------------------------29
3.5.1 模型之建構------------------------------------------------29
3.5.2 邊界條件的設定------------------------------------------29
3.6 求解流場------------------------------------------------------31
3.7 網格及計算域獨立驗證------------------------------------31
第四章 結果與討論----------------------------------------------32
4.1 數值模擬之驗證---------------------------------------------32
4.2 固定葉片攻角下水輪機之輸出性能---------------------32
4.3 不同葉片半徑對水渦輪機性能的影響------------------34
4.4 不同自由流速下葉片性能的比較------------------------35
4.5 不同葉片數目對水渦輪機性能的影響------------------36
第五章 結論-------------------------------------------------------38
參考文獻-----------------------------------------------------------40
附錄 FLUENT 操作步驟--------------------------------------102

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