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ISSN: 2319 - 9873
+ 44 7456 035580造船、海洋和海洋工程,斯特拉思克莱德大学、格拉斯哥、G4 0 lz,英国
收到的日期:06/06/2017;接受日期:19/06/2017;发布日期:26/06/2017
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在这项研究中,研究方法的概述用于直叶片垂直轴涡轮机(增值税)。最新的参数研究直叶片增值税了。深入讨论每个参数的影响提供了能源开采效率。最后,总结回顾和讨论了未来的研究发现了差距
垂直轴涡轮机、研究方法、参数研究
可再生能源设备在现代社会中起着重要的作用。他们提供清洁和可持续能源工业和人们的日常生活,是一种理想的替代传统的化石燃料。在所有的可再生能源设备,潮汐/风力涡轮机是一个最受欢迎的类型。经典潮汐/可再生能源风力涡轮机已经分为两种类型,即。,Horizontal Axis Turbine (HAT) and Vertical Axis Turbine (VAT) based on its installation and operation features.
一顶帽子是一种能源发电机的主旋翼轴水平安装。叶片、轴和发电机必须安装在塔和旋转磁盘必须向流体达到最大提取率(1]。帽子通常被使用在现代可再生能源产业,因为它已经发育良好。工作提示速度比一个典型的帽子是在6.0到18.0根据其叶片数。峰值功率系数可以达到0.48。
增值税的转子轴是垂直安装。有许多特色的增值税相比,一顶帽子。增值税的叶片比一顶帽子更简单。增值税以来垂直操作,因此,它不需要脸朝流方向。增值税也无灵敏度潮汐和水流的水深的应用程序。工作提示速度比一个典型的直叶片增值税小于,一顶帽子和一个典型的直叶片的峰值功率系数增值税也低于一顶帽子。因此,有必要对现代工业研究和优化增值税,来提高它的效率(2,3]。
垂直轴风力发电机的使用可以追溯到2000年前。第一个描述使用增值税是在1219年的一次语文书中4]。Savonius发明了第一台现代拖动垂直轴涡轮机驱动的1929年(5]。1931年,法国工程师Darrieus发明和专利troposkien和直叶片垂直轴风力发电机。年代(6]。在1970年代,加拿大和美国进行的一些调查电力预测使用实验和数值方法(7- - - - - -10]。取得了很多改进的垂直轴涡轮机由过去的研究人员。然而,增值税的能量提取效率没有足够高直到现在。现代增值税可以分成两类基于旋转力矩的来源。其中一个是阻力推动涡轮机;另一种是电梯驱动涡轮机。拖驱动涡轮叶片的阻力系数,走向来流,应该是更大的比其他相同的涡轮叶片,所以可以生成旋转的时刻4]。拖动垂直驱动涡轮机具有良好性能的小提示速度比率。其最高效率15%左右。电梯垂直驱动涡轮机的叶片通常有翼的横截面。它可以生成一个旋转叶片的升力。工作速度比和最高效率都高于拖动垂直轴涡轮机驱动的。电梯驱动涡轮机包含一个曲线刃的类型(如troposkien形状)和一个直刃的类型基于叶片的形状。一种直刃的制造业而言,要简单得多,但比这更大的弯曲应力的弯刃的。在摘要中,直叶片升力驱动垂直轴涡轮机主要关注。
在本文的其余部分,增值税第二节中列出的关键参数。在增值税的研究中使用的研究方法是在第三节。参数研究增值税旨在优化和提高它的能量提取效率在第四部分进行了综述。最后,总结的结果和差距在第五节。
几个关键参数量化涡轮能量提取性能如下所述。
增值税的性能高度依赖于转速。无因次参数提示速度比λ是量化的增值税叶尖线速度与来流速度:
(1)
涡轮的角速度ω,R是涡轮半径,U是来流的速度。
刀片力矩系数c米被定义为:
(2)
M是相对于涡轮叶片的时刻的中心,ρf流体密度,H是涡轮叶片的高度。
功率系数c人事处是由
(3)
叶片升力系数cl和叶片阻力系数cd被定义为:
(4)
和
(5)
在那里,c是叶片弦长。
叶片法向力系数cnct和推力系数被定义为:
(6)
和
(7)
Fn和Ft叶片法向力和叶片推力,分别。
垂直的雷诺数涡轮被定义为:
(8)
在υ流体的运动粘度。
如第1部分中所述,花了2000多年的人类使用增值税来发电。近年来,研究增值税已经成为更受欢迎,因为能源开采效率仍低于帽子。不同的研究方法用于增值税的研究。增值税的研究方法可以分为三大类,即:、分析方法、数值方法和实验测试。分析解决方案是使用经典的理论和方法来解决增值税叶片上的力或流体场变量。三个不同的数学模型科学和工业领域中使用的是基于不同的理论,如基于动量流管模型理论,涡模型基于势流理论和级联模型,利用伯努利方程。数值解是解决粘性/ invicid流体流动的控制方程采用数值方法对增值税的研究。经验测试也被广泛用于增值税研究的验证或确认分析或数值结果。详细讨论和评论这些方法提供了下面的段落。雷竞技苹果下载
分析解决方案
流管模型(动量理论)
流管法是基于动量理论(或牛顿第二定律)。涡轮叶片上的力等于的变化率流体流动的动量。根据这个方程,叶片上的力和整体功率系数可以解决流体流动的动量差之间的上游和下游地区。需要额外的功能,如伯努利方程(11,12]。
涡轮叶片通常被致动器磁盘所取代。选择一个流管可以覆盖整个磁盘驱动器。流管的横截面面积小于上游地区磁盘驱动器,而下游地区的流管的横截面区域大于磁盘驱动器。下面的表达式可以推导出基于动量理论:
(9)
广告在哪里流管的横截面面积在下游地区,一个是诱导速度系数,po是权力outputof涡轮机。很明显,涡轮叶片的推力系数达到最大值时的1.0是0.5。当= 1/3时,功率系数c人事处达到它的最大的价值(即16/17。0.593)。这是上限的动能可再生涡轮被称为贝茨的极限。
有三种不同类别的流管流管方法基于不同的治疗方法。他们是单流管法、多流管法和双多流管模型。单流管方法是一个方法只包含一个流管覆盖整个磁盘驱动器。多流管方法可以将驱动器的磁盘划分为若干孤立的流管和动量理论适用于每个人。该方法可以考虑叶片的影响诱导速度。双多流管模型进一步分裂多流管法的流管上游地区和下游地区。上游地区传入的尾流流下游地区的每个流管。该方法可以考虑上游叶片在下游叶片的影响。因此,可以获得更高的精度。
广泛用于流管方法工业领域因为简单的数学公式和其良好的准确性和小体积低变速比(8,10,13- - - - - -19]。然而,准确性会降低时将这种方法应用到高可靠性和高尖端速度比条件。计算可能是多样的,如果提示速度比率是非常大的20.]。这种方法不能解决所有的变量的液体。
坦普林(8)流管模型用来预测垂直轴涡轮机的功率系数。在他的研究中,所使用的单流管模型是适用于一个流管对整个汽轮机磁盘驱动器。诱导速度被假定为常数在整个磁盘驱动器。弯曲的叶片形状和动态失速效应考虑在内。不同的参数,如横截面形状、体积和涡轮高度直径比进行了研究。
Camporeale,东方三博士(18)流管的结果与实验结果相比的垂直轴涡轮机模型。涡轮叶片对旋转轴穿过Voith-Schneider俯仰系统。一个磁盘驱动器的单流管法。好流管结果和实验结果之间的协议是实现提供的可能性,使用单流管方法预测的功率系数和能量提取效率变距垂直轴涡轮机系统。
涡模型(势流理论)
涡方法是基于势流理论来解决不稳定流体域与旋转涡轮叶片(10,21- - - - - -25]。它始于建立非定常势流方法的数学公式,然后解决这些公式基于边界元法(BEM)。源和汇被分配到叶片表面。叶片表面的离散漩涡排列和叶片。漩涡之后移动流体粒子和忽略耗散的影响,自由表面波。它假定一个不可压缩流体场和非理性的领域除了叶片表面和漩涡。所有的离散漩涡遵循涡度守恒定律。计算的涡度的大小是库塔条件。涡轮叶片上的力和整体功率系数可以得到解决,粘性效应的校正(11]。与流管方法相比,涡方法能够计算出叶片涡相互作用,叶片压力分布、非定常效应和叶片的瞬时部队。然而,计算时间比流管方法和它的精度比低涡轮的叶片力计算比率,因为大型叶片的攻角和动态失速(20.]。
早在1978年,威尔逊[23)使用这个模型来预测的性能Giromill直叶片垂直轴风力涡轮机。他发现垂直轴涡轮机和水平轴涡轮机有相同的功率系数和内联力系数的限制。十字架的智慧力随园技巧的速度比垂直轴涡轮机。
王等人。26)设计了一个二维涡流板法计算不稳定直叶片垂直轴涡轮机叶片与变量。结果显示良好的协议与实验数据。他们还发现,二维涡流板法具有更好的准确性比经典的自由涡模型和简单的涡方法与有限元分析相结合。
级联模型
级联的定义是涡轮叶片的排列以同样的距离。这是透平机的基本物理现象。级联模型用于涡轮叶片假设躺在一条直线。叶片在级联模型之间的间隔距离等于圆周的原始配置。伯努利方程是用来设置之间的数学关系来流速度和下游速度。半经验的表达式是必要的,以确定通过下游的诱导速度的速度。
级联模型是可行的高和低可靠性和两个大型和小型涡轮垂直轴涡轮机的比率。瞬时部队也可以通过这个模型来解决。不同的效果,如涡轮叶片不同时间的变化瞬间,长宽比的效果和曲率效应可以考虑在级联模型计算(12]。
赫希和Mandal27)第一次使用级联模型计算的垂直轴风力发电机。Mandal和伯顿28)还应用该方法研究了汽轮机动态失速效应为垂直轴风力涡轮机。
计算流体动力学(CFD)(数值方法)
CFD方法用于计算整个流体场通过求解偏微分流体控制方程(纳维-斯托克斯方程粘性流或欧拉方程为非粘流)。利用CFD方法来解决可再生能源涡轮问题近年来越来越受欢迎(29日- - - - - -40]。CFD方法有很多优势,如所有的信息用于计算流体领域。CFD也可以模拟全尺寸模型。由于垂直轴水轮机的特点,网格移动方法,如滑动网格技术,对于增值税模拟是必要的。
黄等。29日)模拟直叶片垂直轴风力涡轮机使用CFD方法。摆线桨叶系统和个人活动叶片控制系统被认为是在他们的研究。他们的研究结果表明,涡轮的输出功率与摆线桨叶系统与经典高出30%固定螺距刀片。他们还发现了一个优化垂直轴涡轮机叶片距角变异方法与个体活动叶片控制系统通过最大化叶片的切向力达到最高的输出功率。他们还研究了叶片截面形状影响使用CFD方法通过项目实施的四位和项目实施6系列。一个传感和驱动系统也是为了实现摆线桨叶系统和个人活动叶片控制系统。
实验
实验测试是一种最传统的方法为研究可再生能源发电机的行为。有两个通用设备增值税实验测试,即。风洞试验和船模试验池测试。增值税的实验有两个不同的测试方法。其中一个是连接的电机轴和旋转增值税增值税在一定的角速度在测试期间的运动。该方法用于调查增值税在稳定的工作状态。另一种方法是旋转涡轮的流体部队。因此,涡轮的转速并不是一个固定值在实验。该方法可以用来研究增值税的稳定工作状态以及它的启动和切断能力。
斯特里克兰等。10)进行了一系列的实验在垂直轴涡轮机和重复使用涡模型实验结果。实验是在一个1.25×5 m×10 m船模试验池。使用拖曳水池的原因而不是风洞测试垂直轴风力涡轮机是因为水箱能够可视化条纹线和流动结构。他们注射染料通过涡轮叶片的后缘使用加压染料注入系统,所以漩涡和流动结构可以被检测出来。应变式被用来测量涡轮叶片的力量。他们位于涡轮的根支柱。应变计桥也被用来确定应变式表示只有敏感力。他们测试了直叶片垂直轴涡轮机叶片,分别两个叶片和三个叶片。涡轮叶片在NACA0012的横截面。涡轮叶片的跨度为1.1米,叶片的弦是0.0914米。 The diameter of the turbine is 1.22 m. Three tip speed ratios of the turbine were tested, i.e., 2.5, 5.0 and 7.5 with a fixed Reynold’s number of 4×104. A good agreement was achieved between the analytical results (the vortex model) and the experimental results.
klima [41)的结果相比理论锦上添花的空气动力学模型和守恒实验测试垂直轴涡轮机。涡轮转子半径是8.5 NACA0015的横截面。他讨论了blade-wake涡相互作用,动态失速效应,明显的质量效应和循环的影响垂直轴涡轮机通过对比分析和实验结果。他还发现一个大型数据库使用对称截面涡轮的性能。然而,有一个缺乏结果和研究不对称叶片涡轮的性能分析。一个更好的协议已经实现了动态模型比准稳定的模型与实验结果相比,基于他的研究。
高松,et al。42]垂直轴涡轮性能测试在一个狭窄的通道。一个开放的通道使用深度为1.2米。一个孔板流量计用于测量流体的质量流量。垂直的轴涡轮机是通过扭矩传感器连接到一个飞轮。垂直轴涡轮机转子的直径是0.1米。涡轮叶片的弦长是0.03米,叶片的跨度是0.3 NACA0030的横截面。最佳的性能能够达到双叶片垂直轴涡轮机时位于最窄的通道。他们还建立利用理论分析结果。然而,理论结果与实验结果不是好的协议的瞬时扭矩值和峰值能源开采效率。这些分歧是由于圆周运动效果和流体流动的非定常效应在理论分析中被忽略了。
Kiho et al。43测试一个直叶片垂直轴潮汐涡轮机。他们的实验测试在特别Kurushima海峡县从1983年到1988年。涡轮设计成三个涡轮叶片Darrieus类型。NACA6330018的叶片有一个截面,弦长为0.3米和1.6米的跨度。涡轮半径是0.8米。齿轮箱和同步为这个涡轮发电机的设计。不同的参数测量和分析通过纵轴功率提取潮汐涡轮机在极端海洋环境。他们的研究结果表明,海洋动能可以当来流中提取大于1.0米/秒。他们观察到56%的能量提取效率最高的潮汐涡轮机设计速度的比率为2.1 (1.1 m / s)的传入流量。
正如第一节所讨论的,增值税的能量提取效率低于帽子。自1970年代以来,一些参数研究和性能增强方法对增值税进行了调查和发明。最典型的是列在以下段落。
增值税的
最有效的方式改变增值税的性能优化涡轮或叶片特征。涡轮机或叶片特征包括涡轮叶片轮廓,叶片数,涡轮的直径和涡轮叶片弦长。non-dimensionalized参数稳健sσ是引入量化的主要几何Darrieus涡轮机的特点:
(10)
其中N是涡轮叶片的数量。
伊斯兰教,et al。44增值税)测试不同叶片截面资料提高小容量直叶片增值税在其启动和总体性能。他们的研究结果表明,经典的项目实施的四位系统性衬托不适合小容量直叶片大桶因为他们的水动力性能是不够高的。他们还建议高扬程和配套的不对称的铝箔翘起,高厚度、大前缘半径和夏普缘增值税叶片截面。
伊斯兰教等。45通过使用几种方法)测试不同的刀片配置文件。ls - 0417被发现的水动力性能最好的在不同的衬托下小再保险和小λ,但c人事处比这小得多的经典NACA0015箔。一种新型箔名叫MI-VAWT1是由他们取得了更好的性能在设计小再保险和小λ和保持相同的介质条件下的性能。
Beri和姚19)增值税性能测试通过使用NACA2415曲线衬托叶片。他们的研究结果表明,NACA2415弧形箔叶片有一个良好的开端能力但低能量提取效率。
Castelli et al。32)测试三种不同的刀片配置文件,这是经典NACA0021 DU 06 - w - 200和弯NACA0021。结果表明最佳的性能是通过使用弯NACA0021和增强4%的能量提取效率较其他两个刀片配置文件。性能改进操作观察弯NACA0021叶片的下风向地区。
Castelli et al。46)测试可靠性的效果通过改变涡轮叶片数。发现使用一个更大的σs导致峰值c人事处发生在较小的λ,但峰值c的价值人事处是减少了。转矩波动和减振效果观察通过使用较大的C人事处值。涡轮叶片的法向力也观察到减少了使用大σs值。
可变螺距为增值税的影响
有许多因素影响增值税能量转换效率。从流程的角度看,动态失速现象之一,大大降低设备效率。失速发生由于流动分离涡轮叶片旋转时在大攻角位置。一旦它出现时,叶片升力显著下降导致整体能源开采效率的降低。这是非常不可取的升力驱动的增值税,总是发生在小提示速度比率(也称为自起动的问题)。可变螺距的想法是为了提高增值税的自起动性能。人们普遍认为可变螺距技术可以提高涡轮性能在小λ(47]。
早在1970年代,德雷斯(48和5月等。49)增值税性能测试通过使用可变螺距刀片由中央凸轮驱动。5月et al。49四个不同的球场上振幅)进行实验。良好的性能在小λ和更好的大型叶片投手振幅下实现自我行动能力。然而,整个涡轮系统不能加速到一个更大的λ。通过减少叶片投手振幅,更好的峰值警察结果可以实现但涡轮的自动起动能力减弱。
Pawsey和Barratt50)模仿中央凸轮可变螺距增值税采用动量理论。一系列的音高振幅从0°30°被认为是他们的工作。相应的功率系数预测证实了5月的结论等。49]。
Schonborn和Chantzidakis51)设计循环螺距控制涡轮用理论和实验方法。结果显示在小λ涡轮性能的增强。循环螺距控制涡轮可以积极减少叶片攻角,以防止气蚀的涡轮转速。采用液压驱动,涡轮也可以有紧急停车配置。
黄等。52)进行了数值和实验研究摆线涡轮机。结果表明涡轮有峰值σs很大时警察在小λ的值。增强25%的能量提取效率也观察到通过使用单个叶片控制。
Kiwata et al。53)设计了一个四连杆可变螺距涡轮机。场上振幅和抵消角都是能够改变使用不同长度的链接。通过使用四连杆,增值税具有相同的启动风速,但更高的转速。的峰值性能增值税能量提取效率也提高。
京et al。54)实验测试了三种不同的变距控制涡轮。这些是摆线式、弹簧控制式和被动变距式涡轮机。坚固,古怪的比率、弹簧刚度等参数进行了测试实验。之间的正相关关系被发现警察和可靠性以及偏心比摆线式水轮机。更好的水动力性能时使用更强的弹簧spring-controlled涡轮机。被动的音调控制涡轮,一个较小的螺旋角限制有更好的能源开采效率性能。相应的数值分析spring-controlled可变螺距增值税也是由太阳et al。55]。
普赖尔(56],Nemec [57),斯蒂芬斯et al。58),史蒂芬斯和其他59]和Paluszek履新[60还发明了和专利变距垂直轴涡轮机的不同的方法。
流方向和增值税增加通道效应
提高还原性能的另一种方法是使用流动方向和增加频道(或命名管道)。流方向,增强渠道的概念首次引入增值税的扩散增强水平轴风力涡轮机(20.,61年]。通过使用频道诱导sub-atmospheric压力,涡轮转子可以增加周围的流速,然后提高增值税的性能(62年,63年]。
福尔et al。64年)首先应用导管增值税在河上改变水流方向和速度。测试后,管道之间的交互和涡轮叶片观察这增值税降低性能。
科克先生(65年)测试了能源开采与管道设备垂直轴风力发电机的效率。增值税的三重增强效率观察使用管道设备。此外,增值税效率可能超过贝茨极限,等于的上限是0.593和运动能量吸收器的效率表示在第三节。他们还指出使用管道设备的优点,例如他们环保(特别是水动物),减小涡轮大小,提高转子转速。
Roa et al。66年)测试了两种不同的通道设备,即普尔- 420和NACA11414增值税通过实验和数值方法。观察到流是加速通过将设备和涡轮叶片产生的转矩与一个普通涡轮。他们不能确定最佳配置提出了他们的研究和进一步的调查。
盖登和Bibeau67年)测试一系列的引导设备通过使用动量源涡轮模型。3.1倍增强通过引导观察设备与普通的涡轮机和一个优化维度相比还发现引导设备。
Castelli et al。68年)测试了“C”形增值税和60%的裹尸布装置增强观察时使用它。“C”形裹尸布的效果是让涡轮的瞬时转矩平滑,当应用到上游的增值税。虽然涡轮的瞬时转矩的振幅会增加当应用于下游的增值税。
Georgescu et al。69年)测试了“S”形管设备通过使用数值方法。增值税的性能增强效果观察到使用此设备。半“S”形管装置还建议以实现更好的性能。
其他参数研究的增值税
下面列出了一些其他参数的研究增值税。
血浆致动器
以色列理工学院的一个研究小组想出了一个主意来控制动态失速的垂直轴风力发电机用等离子体致动器。格林布拉特et al。70年在大型σ)进行实验年代小规模增值税采用介质阻挡放电(DBD)致动器在涡轮叶片的前缘。一系列的参数进行了研究和观察增强38%通过DBD执行机构。Ben-Harav和格林布拉特71年)用脉冲DBD致动器控制动态失速增值税。根据实验结果,他们发现增值税性能增强在整个工作区域使用这个设备/控制和动态失速也是预防。格林布拉特et al。72年]分析了涡流场的DBD增值税采用PIV技术控制的。他们的研究结果表明,利用DBD致动器,动态失速漩涡变得小,接近叶片表面的动态失速效应可以减少。
后缘(瓣)控制
Beri和姚19]研究了还原性能的叶片后缘修改。观察一个积极的警察在他们的研究中这种类型的刀片。嘲笑(73年),Paluszek和履新60和哈雾74年)所有发明和专利增值税设计通过使用一个可旋转的叶片后缘。顶视图的转子装配说明叶片副翼的调整相对于变量的盛行风哈雾皮瓣法(74年]。因此可以提高涡轮叶片的升力和总涡轮的性能可能会增强。哈尔(74年)也用叶片扩展元素达到涡轮转速控制。肖et al。38)测试活动振荡后缘襟翼对增值税的影响。观察积极成果的能量吸收能力。
涡轮叶片的弹性
为了实现一个很大的能量输出,海上涡轮机的规模变得越来越大,尤其是对帽子(75年,76年]。大规模的帽子,叶片通常遭受高不稳定载荷产生的紊流风和大型gravtational部队。这些不稳定负荷导致叶片变形,甚至可以打破叶片。一些研究旨在减少叶片上的载荷通过使用复合材料,如“叶片变形”(MB) [77年- - - - - -79年]。因为存在的增值税叶片径向离心力,增值税的不稳定负荷和叶片应力比一顶帽子更显著。然而,相关研究增值税叶片压力预测和消除仍然是有限的。这可能是因为增值税刀片操作条件的性质(循环旋转运动),生成更大的不稳定变化负载与帽子。Hameed和faq (80年测试了增值税叶片应力分布和不同厚度在极端的流体载荷下的弯曲变形情况。Butbul et al。81年)测试了弦向的灵活的增值税叶片通过实验和使用MB Finiet单元法(FEM)。他们观察到在低提示速度比积极影响地区,但危害地区大型变速比的能量提取效率。刘和肖82年)模拟了叶片的应力分布和变形为一个三维的增值税(杨氏模量效果)通过使用不同的材料完全耦合的计算流体动力学和流体结构相互作用(FSI)方法。结果表明,峰值能量提取效率可以提高通过介质的柔性材料与刚性。然而,能量提取效率显著降低大灵活性增值税叶片的材料。
本文相关文献的研究方法直叶片垂直轴涡轮机和不同的参数研究目的为提高能源开采垂直轴涡轮的性能了。以下结论和差距可以确定:
•三个一般研究方法用于预测或设计一个增值税,分析方法、数值方法和实验测试。不同的方法都有自己的优点和缺点,适用于不同的目的。一个全面的数据库aero - /水动力性能不同的增值税是必要的。
•有很多参数的增值税可以影响它的能量提取效率。过去的研究专注于刚性叶片间距的设计运动,设计额外的设备(如通道或导管),等等。
•的一些研究人员专利与皮瓣垂直轴涡轮叶片,但缺乏系统研究皮瓣的影响以及在主动或被动运动。
•尽管新材料的优势,比如MB,并研究其申请帽子,仿生复合材料的潜在应用的调查,增值税是有限的。这部分是由于不稳定负荷的变化更大的应用在增值税叶片在其循环旋转运动和一顶帽子。
相信这篇论文审查提供了一个参考和一般工业设计指南的直叶片增值税。
本文是作者博士论文的一部分。作者的博士研究是由清肖博士和教授Incecik Atilla。作者获得博士学位的造船、海洋和海洋工程,英国斯特拉思克莱德大学,格拉斯哥,。
