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摘要
水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率，因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围，依据阿基米德螺旋线原理，设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机，并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明，变角水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内具有更高的功率系数，且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外，与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5～2.0的范围内相比，变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例，其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时，变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数，但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示，两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带，而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强，向下游发展的轨迹也更长。此外，变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性，为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。
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