本文主要研究一適合於澎湖海域週期性海流的水渦輪機葉片設計為主。利用葉片元素動量理論來設計水渦輪機葉片外型，並透過計算流體力學軟體FLUENT來進行數值模擬，計算出流體對水渦輪機所產生的扭力、功率及效率。
先討論數個不同翼剖面設計而成的水渦輪機的效率係數表現。之後引入次穩態法模擬水渦輪機在週期性海流流況之下的性能表現與估計一日可擷取的海流能能量。接著討論將水渦輪機置於不同的沒水深度時，對水渦輪機性能的影響。
研究結果顯示，翼剖面NACA-6409在低雷諾數下有高升阻比的表現，其流體動力性能表現佳且能帶給水渦輪機產生較高的轉矩與輸出功率，以其設計半徑長1米的水渦輪機，在均勻流流速2 m/s估計能有5KW以上的輸出功率。而週期性海流下的性能表現，海流折返時雖能帶動水渦輪機轉動，但輸出功\\率僅是順向海流時輸出功率的0.54倍。將水渦輪機沒入水下深度越深也較不受水面效應影響，越接近水面時的水渦輪機轉矩相對比較低。

This thesis investigates a horizontal water turbine blade designed to suit the periodical ocean current in Penghu sea region. Blade element momentum theory is exploited to design blade profiles. Then, CFD software, Fluent, is used to obtain such simulation result for torque, power, and efficiency. Firstly, performance of turbines with various cross-sectional profiles is discussed. Then, we use quasi-steady method to simulate power output of turbines from periodical ocean current and estimate how much ocean current energy we can obtain per day. Further, the performance of a turbine installed for different immersed depth from the surface is investigated.
Our studies show that airfoil profile NACA6409 can outperform others in terms of high lift/drag ratio under low Reynolds number, and better hydrodynamic properties help the water turbine obtain higher torque and power output. A water turbine designed by using NACA6409, at R=1 m, at uniform velocity=2 m/s is estimated to generate 5KW output power. On condition of periodical current flow, the ebb tidal current can rotate water turbine, but power output is only 0.54 times of flood tidal current. The water turbine can generate more power when it is sited in deeper water, and less torque when it is sited near the water surface.

中文摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章、緒論 1
1.1前言 1
1.2研究背景與動機 2
1.3海洋能介紹 4
1.4澎湖海流能 5
1.5文獻回顧 6
1.6世界各國海流渦輪機 7
第二章、基本理論與葉片設計 10
2.1海潮流發電機簡介 10
2.2動量理論分析 10
2-3葉片元素理論 15
2.4理想的葉片外型設計 19
2.4.1葉片數目 20
2.4.2翼剖面形狀 21
2.4.3葉尖速度比與弦周比 22
第三章、研究方法 23
3.1數值方法 23
3.2統御方程式 24
3.3紊流模式 25
3.4 SIMPLE演算法 26
3.5模型建構與邊界條件設定 26
3.5.1模型建構 27
3.5.2邊界條件設定 27
3.6網格數與計算域獨立驗證 28
第四章、結果與討論 31
4.1不同翼剖面的水渦輪機在自由流速2M/S流況下，對渦輪機性能的影響 31
4.1.1 渦輪機流速2m/s與1m/s下的效率差異 32
4.2不同翼剖面的渦輪機在週期性海流況下，對渦輪機性能的影響 34
4.2.1週期性海流 34
4.2.2.週期性海流況下渦輪機的效率係數 34
4.3.沒水深度對渦輪機性能的影響 36
4.3.1 流速對不同沒水深度時的影響 38
第五章、結論與建議 39
參考文獻 41

[1] 再生能源科技重要結論，行政院2007年產業科技策略會議，經濟部能源局。
[2] 2010年能源產業技術白皮書，經濟部能源局。
[3] 陳維新，海流能Marine Current Energy
[4] 徐泊樺，顏志偉,'淺談我國海流能源之開發前景',2007物理雙月刊
[5] 黃厚生，江青瓚，廖經欣，台灣近海海流發電機最佳參數選擇之探討，2006電力工程研討會。
[6] 姜庭隆，陳柏堅，'風力機葉片掠角分析',31屆全國力學會議
[7] W.M.J. Batten，A.S. Bahaj，A.F. Molland，J.R. Chaplin，2006，hydrodynamics of marine current turbin
[8] A.S. Bahaj, A.F. Molland, J.R. Chaplin, W.M.J. Batten. Power and thrust measurements of marine current turbines under various hydrodynamic flow conditions in a cavitation tunnel and a towing tank. Renewable Energy, 2007
[9] The European Marine Energy Center Ltd，http://www.emec.org.uk/index.asp
[10] Marine Current Turbine Ltd，http://www.marineturbines.com/
[11] Hammerfest Stroem，http://www.hammerfeststrom.com/。
[12] Blue Energy，http://www.bluenergy.com/。
[13] OpenHydro， http://www.openhydro.com/home.html。
[14] Pulse Generation，http://pulsetidal.com/#
[15] Verdan Power，http://verdantpower.com/
[16] 黃正利，陳正泰，2006，漫談風車氣動力技術，機械工業，278期。
[17] Manwell, J.F., McGowan, J.G.and Rogers, A.L.,'Wind Energy Explained - Theory,Design and Applic
[18] 施松樺，2006，葉片風力機設計分析
[19] 陳國忠，2005，葉片扭轉角對水平式風力機性能影響之數值研究。
[20] Suhas V. Patankar，1983，Numerical heat transfer and fluid flow，Hemisphere Publishing Corporation，New York.
[21] DesignFOIL Demo，http://www.dreesecode.com/。
[22] Air foil Investigation Database ，http://www.worldofkrauss.com/
[23] UIUC Airfoil Coordinates Database，http://www.ae.illinois.edu/m-selig/ads.html。
[24] Hahm，Thomas and Bereich Energie-und Systemtechnik，2001，3D-Simulation of the Wake of a Wind Turbine. DEWI Magazin Nr. 18.
[25] 李文毅“水平軸式水渦輪機之設計”，國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文，2008。
[26] 王汝美“週期性海流對水渦輪機特性的影響?苤A國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文，2009。
[27] 林宗融“自由水面下二維水翼水動力性能之分析”，國立台灣大學造船及海洋工程研究所，2000。