臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要目的為利用OrcaFlex軟體來建立浮游式黑潮渦輪發電機組(Floating Kuroshio Turbine；FKT)的數值模型，並配合計算流體力學(Computational Fluid Dynamics；CFD)軟體ANSYS-FLUENT及WAMIT來進行FKT機組各零組件之流體動力係數計算，再將計算所得的結果導入OrcaFlex軟體中來完成FKT機組數值模型之建立並進行機組的佈放模擬。其中，並針對OrcaFlex軟體中對於轉子葉片的模擬進行修正，以期能在OrcaFlex 2D葉片元素法的架構下模擬出相近於3D計算流體力學所模擬出的葉片性能，以使OrcaFlex模擬FKT機組的運動有更高的精準度。
本研究依據修正後的2D葉片元素性能所建構的FKT機組數值模型，於流速1.1 m/s至1.5 m/s的條件下，設計機組於錨繫狀態下的動態模擬腳本，利用浮力引擎調整進水量以控制FKT機組的沉降與上浮，進行佈放與回收作業模擬。後續當FKT機組研發工作至一定階段，機組會先進行實海域的船拖試驗，因此本研究亦進行船拖受力與深度估算分析，來探討其受力狀況與沒水深度，並作為纜繩長度設計之依據，再與OrcaFlex船拖試驗模擬的結果比對，確認其有效性。
研究結果顯示修正2D葉片性能後的FKT機組，仍可藉由適當增加機組載重，在原設計的浮力引擎容量下達成FKT於錨繫狀態下的佈放與回收作業目標；而船拖受力與沒水深度估算分析結果與OrcaFlex的模擬的結果亦相當一致，同樣顯示可以藉由適當增加機組載重，在原設計的浮力引擎容量下達成FKT於船拖狀態下 的沒水深度目標。

The purpose of this study is to investigate the deployment and recovery operations for Floating Kuroshio Turbine (FKT) in moored conditions, and those in ship towing conditions by applying the simulation software OrcaFlex. The hydrodynamic coefficients of each element of FKT were calculated by CFD tools of ANSYS-FLUENT and WAMIT. Then these results were introduced into OrcaFlex to set-up the numerical model of FKT, and the simulations of the deployment and recovery operations for FKT in moored conditions, and those in ship towing conditions were carried out. In order to improve the accuracy of simulations, the setting data for the rotor blades in OrcaFlex, which simulates blades performance basing on 2D element method, were modified to fit the more accurate blades performance obtained by 3D CFD method.
In the present study, based on the FKT numerical model built by the modified 2D blade setting data and under the current speed conditions of 1.1 m/s to 1.5 m/s, we accordingly set up simulation scenarios of employing buoyancy engines to adjust water ballast for controlling the FKT’s ascending and descending for simulating the deployment and recovery operations. As the FKT develops to a certain extent, the towing test by ship in real sea must be first conducted. An analysis method to estimate the FKT’s towing force and submerged depth was proposed in the present study, and considered as the basis for cable length planning. Its validity was confirmed by comparing the estimated results with those obtained by OrcaFlex simulation.
The results of simulation based on FKT numerical model with the modified blade performance show that the FKT can achieve the goal depth of the deployment and recovery operation in moored condition under the original capacity of buoyancy engines by adding proper ballast weight for the FKT. Moreover, the simulation results also show that FKT can submerge to proper depth in ship towing condition under the original capacity of buoyancy engines by adding proper ballast weight for the FKT

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
圖目錄 X
表目錄 XIX
符號說明 XXII
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2洋流 2
1.2.1全球洋流概述 2
1.2.2黑潮能源 3
1.3國內外海流發電技術研發現況回顧 5
1.4研究目的與方法 11
1.5本文架構概述 13
第二章 FKT機組各零組件流體動力分析方法 14
2.1 應用CFD軟體ANSYS-FLUENT之流體動力分析 14
2.1.1 統御方程式 14
2.1.1(a)連續方程式 14
2.1.1(b)動量方程式 15
2.1.2 紊流模型 15
2.1.3 數值計算方法 16
2.1.3(a)有限體積法 16
2.1.3(b)流場壓力速度耦合求解 17
2.1.4 網格建構方法 17
2.2 ANSYS-FLUENT數值計算 18
2.2.1 數值計算設定 18
2.2.2 流體動力分析之計算域大小與網格數 19
2.2.2(a) 計算域大小 19
2.2.2(b) 網格數 20
2.2.3 網格獨立性驗證 20
2.2.4 流體動力計算結果 22
2.3應用WAMIT之流體動力分析 24
2.3.1勢流計算方法 24
2.3.2計算例驗證 26
2.3.3 WAMIT附加質量計算 28
第三章 ORCAFLEX運動模擬建模 29
3.1模擬軟體OrcaFlex之應用 29
3.1.1 OrcaFlex環境理論 30
3.1.1(a)座標系統 30
3.1.1(b)海床理論 31
3.1.1(c) Morison’s Equation 32
3.1.2建構數值模型之物件介紹 33
3.1.2(a) Line Element 33
3.1.2(b) 3D Buoy 34
3.1.2(c) 6D buoy 34
3.1.2(d) Winch 37
3.1.2(e) Shape 37
3.1.3計算系統模擬力學分析 37
3.1.2(a)靜力分析 38
3.1.2(b)動力分析 38
3.2 20KW浮游式黑潮渦輪發電機系統參數設定 39
3.2.1 FKT機組外型建置 39
3.2.2 FKT機組各零組件參數設定 40
第四章 轉子葉片性能分析及修正 46
4.1轉子葉片 46
4.1.1葉片設置 46
4.1.2模擬轉動設置 49
4.2 轉子葉片性能分析 50
4.2.1葉片元素法 50
4.2.2葉片性能分析結果 53
4.2.2(a)永磁發電機負載曲線 53
4.2.2(b)葉片元素法計算結果驗證 56
4.2.2(c)葉片元素法計算結果說明 58
4.3轉子葉片性能修正 63
4.3.1修正轉子葉片裝置角 63
4.3.2修正轉子葉片流體動力參數 66
4.3.3修正後轉子葉片性能 69
4.3.4 OrcaFlex模擬葉片阻力說明 71
第五章 FKT機組佈放與回收模擬 72
5.1 運動模擬環境 72
5.2 FKT機組佈放與回收之腳本設計 72
5.2.1模擬目標 72
5.2.2腳本設計說明 73
5.3 FKT機組佈放與回收模擬結果與分析 74
5.3.1各流速條件模擬結果說明 74
5.3.2討論 94
第六章 FKT機組船拖試驗模擬 97
6.1船拖模擬 97
6.1.1船拖深度估算 97
6.1.2 OrcaFlex船拖試驗模擬設置 99
6.2船拖模擬受力分析 100
6.3 FKT機組船拖試驗模擬之腳本設計 102
6.3.1模擬目標 102
6.3.2腳本設計說明 102
6.4 FKT機組船拖試驗模擬結果與分析 103
6.4.1各流速條件模擬結果說明 103
6.4.2討論 123
第七章 結論與展望 126
參考文獻 128
附錄 130
[附錄一] 各零組件及各入流方向的網格獨立性驗證收斂結果 130
[附錄二] 各零組件於各入流方向的阻力面積A及阻力矩面積AM 136
[附錄三] 葉片元素法及CFD計算的葉片扭矩曲線資料點 137
[附錄四] 修正後葉片扭矩曲線資料點 138
[附錄五] 轉子葉片裝置角修正數據 139
[附錄六] 轉子葉片修正後之2D翼型剖面攻角與升阻力關係 140

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