本研究目的為利用黑潮洋流流經台灣東部海域之特點，設計出新式海流發電平台。計算方式為利用流體力學軟體(ANSYS Fluent)進行數值模擬。以葉片動量元素理論為基礎，設計水渦輪機葉片外型，並應用調合演算法(Harmony Search Algorithm)，設計最佳化導流罩幾何形狀尺寸，並在導流罩中心內部設置水渦輪機計算導流罩內部流速及壓力分佈並求得其扭力及功率係數。導流罩幾何形狀設計概念採用導流(nozzle)與疏流(diffuser)，其想法目的為增加入流口與出流口之壓力差，來提升黑潮海流流經水渦輪機處的海水流速。且藉由改變不同導流罩幾何參數，(1)入流口直徑、(2)出流口直徑、(3)水渦輪機邊緣間隙、(4)入流口至水渦輪機之距離、(5)出流口至水渦輪機之距離求得最佳化功率，並在導流罩中心位置兩側設計機翼，藉由調整機翼攻角，使入流口與導流口截面呈現垂直，藉此使得載具與海流方向呈垂直方向獲得最大功率值。並且在巨浪條件下，海流發電平台載具藉由調整兩側機翼攻角使發電載具潛沒於海床上，避免發電載具受傷損害。本研究除了進行數值模擬計算外，也將數值模型縮尺化後，進行水工試驗量測升阻力係數及導流罩內部流速，並與數值模式結果進行驗證。

In this research, I utilize the characteristic that Kuroshio passes through Penghu’s maritime space to design a new type of floating platform to capture marine current energy. My CFD is by the application of ANSYS Fluent to make a numerical simulation. The design for the shape of turbine’s blades is based on the blade element theory and for the different size of the ducted propeller housings is according to Harmony Search algorithm. The turbine calculates the velocity and the pressure which can help us get the torque, power and power efficiency. About the design concept of the ducted housings, I utilize the nozzle and diffuser. This concept is to speed up the velocity of Kuroshio by raising the turbine’s pressure gap between inlet and outlet. Furthermore, by changing five different parameters, including (1) inlet diameter, (2) outlet diameter, (3) gap of turbine edge, (4) distance between inlet and turbine, (5) distance between outlet and turbine, getting optimized power coefficient. In order to increase lift of duct, adding wings both side of duct. By changing attack of angles, ducted wings will control and adjust the up and down of the platform. At the same time, ducted wings will make the diameter of inlet and outlet vertical. As a result, we will gain the greatest power efficiency by the vertical between platform and ocean current. In this research, I also do experiment to compare numerical lift and drag force

目錄
誌謝 i
摘要 ii
Abstract iii
圖目錄 viii
表目錄 xiii
符號說明 xiv
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2 研究目的與問題 2
1.3海洋能介紹 2
1.4海流發電介紹 5
1.5文獻回顧 10
1.5.1 縮口型導流罩 10
1.5.2 水渦輪機之設計 11
第二章 動量理論與調和演算法 13
2.1 水渦輪機動量理論分析 13
2.2 導流罩之流速與壓力動量理論 16
第三章 研究方法 19
3.1 數值方法 19
3.2統御方程式 24
3.3 SIMPLEC演算法 26
3.4 紊流模式 27
3.5 模型參數定義 27
3.6邊界條件設定 29
3.7計算域及網格驗證 31
3.7.1計算域驗證 32
3.7.2網格驗證 36
第四章 數值模擬結果 37
4.1應用調和演算法 37
4.1.1 調和演算法名詞定義 37
4.1.2 調和記憶考慮機率, HMCR 38
4.1.3調音機率, PAR 39
4.1.4 調和演算法執行步驟 39
4.2不同入流口直徑對導流罩功率值之影響 42
4.3應用調和演算法求得最佳化導流罩 45
4.4水渦輪機型號選擇 49
4.5水渦輪機邊緣間隙大小對功率影響 54
4.6調和演算法在不同參數條件下 56
4.7導流罩升力、阻力係數 59
第五章 水工模型實驗結果與數值比對 65
5.1實驗目的 65
5.2 實驗規劃 65
5.2.1 實驗模型尺寸及材質 65
5.2.2 實驗儀器與設備 68
5.2.3 實驗量測項目 76
5.2.4 實驗配置 77
5.2.5水工模型實驗步驟 78
5.3.1 張力分析 80
5.3.2位移分析方法 81
5.4攻角變化之移動軌跡 83
5.5在不同流場情況下升阻力之變化 90
5.6導流罩功率效能分析 99
第六章 結論與建議 102
參考文獻 104
附錄 107

圖目錄
圖1-1台灣海洋能源發展潛力比較表，資料來源-第二期能源國家型科技計畫 3
圖1-2海流發電類型 資料來源–Global CCS Institute 7
圖1-3浮動型海流發電動畫模擬圖 資料來源–Tidal Energy ltd, TEL 7
圖1-4 BV樁型海流發電 資料來源–Bureau Veritas, BV 8
圖1-5 Bio STream水中翼擺式海流發電–資料來源: Bio Power 8
圖1-6 Clean Current Tidal Turbine–資料來源Clean Current 9
圖1-7 海流能發電示意圖–資料來源Lunar Energy Tidal Current Power 9
圖2-1 動量理論控制體積 13
圖2-2 導流罩壓力與流速關係圖 16
圖3-1 CFD求解過程圖 23
圖3-2 SIMPLEC演算法流程圖 26
圖3-3邊界條件設定圖 30
圖3-4為移動參考架構示意圖 30
圖3-5 網格疏密配置圖 31
圖3-6 導流罩計算域 31
圖3-7計算域前流道長度對收斂結果的影響 33
圖3-8計算域後流道長度對收斂結果的影響 34
圖3-9計算域旁流道長度對收斂結果的影響 35
圖3-10設定尺寸函數1.1及1.5對收斂結果的影響 36
圖4-1 調和演算法產生新解過程 40
圖4-2調和演算法流程 41
圖4-3不同入流口直徑導流罩幾何尺寸 43
圖4-4水渦輪機在導流罩中心壓力場分佈 43
圖4-5水渦輪機在導流罩中心流速分佈 44
圖4-6不同入流口直徑在不同轉速情況下功率係數之比較 44
圖4-7最佳功率係數前十組比較圖 48
圖4-8 Naca63621翼型型號 50
圖4-9 Naca6409翼型型號 50
圖4-10為兩組型號水渦輪機功率係數之比較 51
圖4-11有無導流罩功率係數比較 51
圖4-12不同型號有導流罩功率係數比 52
圖4-13 NACA6409水渦輪機 52
圖4-14 NACA6409水渦輪機搭配導流罩 53
圖4-15 水渦輪機距離導流罩間隙示意圖 54
圖4-16 不同參數在不同轉速情況底下所產生之功率係數 55
圖4-17三個參數與四個參數調和演算法比較 57
圖4-18最佳化導流罩幾何參數 57
圖4-19最佳化導流罩側視圖 58
圖4-20 升力與阻力方向示意圖 60
圖4-21為最佳化導罩之升 60
圖4-22 NACA6409型號出三維機翼圖形 61
圖4-23導流罩搭配機翼之升力係數 61
圖4-24 Y方向壓力場變化 62
圖4-25 X方向壓力場變化 62
圖4-26導流罩增加薄殼 62
圖4-27 導流罩添加薄殼壓力場變化 63
圖4-28 攻角正20度，升力係數 63
圖4-29 攻角負20度，升力係數 64
圖4-30有無薄殼功率係數值 64
圖5-1右側機翼縮尺示意圖 66
圖5-2左側機翼縮尺示意圖 66
圖5-3載具縮尺示意圖 66
圖5-4載具空心側視圖、上視圖 67
圖5-5成品示意圖 67
圖5-6造流機 69
圖5-7造流機控制裝置 69
圖5-8造波暨造流水槽 70
圖5-9消波斜板 70
圖5-10 CCD高速攝影機 71
圖5-11影像率定板 71
圖5-12流速計 72
圖5-13流速計探測端 72
圖5-14 訊號增幅器 73
圖5-15張力計 73
圖5-16錨碇板 74
圖5-17 蜂巢式整流系統 75
圖5-18 發電平台錨碇形式設計與穩定性分析-實驗配置 77
圖5-19導流罩功率效能分析-實驗配置 78
圖5-20載具位移示意圖 81
圖5-21水工模型試驗 84
圖5-22 實驗水槽底部上方35公分處 84
圖5-23六十秒特徵點移動 85
圖5-24正負攻角10度及0度時垂直位移 86
圖5-25正負攻角20度及0度時垂直位移 86
圖5-26正負攻角10度及0度時水平位移 87
圖5-27正負攻角20度及0度時水平位移 87
圖5-28正負攻角10度及0度時旋轉角度 88
圖5-29正負攻角20度及0度時旋轉角度 88
圖5-30 流速15 各個攻角之位置 89
圖5-31 實驗之升阻力 92
圖5-32攻角零度升力係數 93
圖5-33攻角零度阻力係數 93
圖5-34攻角十度升力係數 94
圖5-35攻角十度阻力係數 94
圖5-36攻角二十度升力係數 95
圖5-37攻角二十度阻力係數 95
圖5-38攻角負十度升力係數 96
圖5-39攻角負十度阻力係數 96
圖5-40攻角負二十度升力係數 97
圖5-41攻角負二十度阻力係數 97
圖5-42相同位置情況下不同流速計之量測 100
圖5-43入流口流速 100
圖5-44導流罩內部流速 101
 
表目錄
表3-1幾何參數定義 28
表3-2參數組合 28
表3-3不同前流道組合 33
表3-4不同後流道組合 34
表3-5不同旁流道計算組合 35
表3-6網格數對收斂結果影響 36
表4-1 三組幾何導流罩參數 43
表4-2 三組參數之變數 47
表4-3最佳功率係數前十組 47
表4-4 五筆不同參數比較 55
表4-5 三個參數與四個參數調和演算法比較 56
表5-1 水工模型實驗設備與儀器 68
表5-2升力及阻力率定值 91
表5-3 機翼攻角之變化 92
表5-4 RMS誤差 98

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