尹銳 王文全 潘瀏鍇

摘要：設(shè)計(jì)海流能水輪機(jī)葉片和分析水動力學(xué)特性，有利于開發(fā)海洋能。首先基于CFD對二維水翼進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比不同的升阻比，得到該水翼的最佳攻角。然后利用Wilson設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)出海流能水輪機(jī)葉片（功率為200W）。最后對該海流能水輪機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)工況和變槳距角工況下的水動力學(xué)特性分析。結(jié)果表明：當(dāng)流速較小時，可以通過增大槳距角，降低啟動扭矩；當(dāng)流速過大時，可以通過增大槳距角來減小其軸向荷載，進(jìn)而保證整個裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。本文分析成果可為設(shè)計(jì)海流能水輪機(jī)葉片提供依據(jù)。

Abstract： Researching on blade design and hydrodynamic characteristics of ocean current turbine， it helps to utilize marine energy. Firstly， based on the computational results of two-dimensional hydrofoil using CFD， the best attack angle of the hydrofoil is acquired by analyzing different ratio of lift to drag. Then a horizontal axis current turbine （200W power） has been designed using the Wilson method. Finally， hydrodynamic characteristics of the horizontal axis current turbine under design case and different pitch angle are analyzed. The results show that： when the flow rate is small， it can be start by increasing pitch angle； when the flow rate is too large， it can be reduced the axial load by increasing the pitch angle， thereby ensuring the stability of the entire operation of the device. The analysis results can improve the design.

關(guān)鍵詞：水平軸海流能水輪機(jī)；計(jì)算流體動力學(xué)；葉片設(shè)計(jì)；水動力特性；數(shù)值模擬

Key words： horizontal axis current turbine；computational fluid dynamics；blade design；hydrodynamic characteristics；numerical simulation

中圖分類號：TK730.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0153-03

0 引言

目前，尋求清潔可再生能源來解決能源危機(jī)已成為世界各國共同面臨的重大挑戰(zhàn)，我國能源稀缺也日益嚴(yán)重。海流能是一種綠色能源，且含量非常豐富，越來越受到世界各國的重視。海流能是在海上風(fēng)力、海水溫度和鹽度所引起的梯度差的作用下所產(chǎn)生的能量，相對比較穩(wěn)定[1-2]。海流能轉(zhuǎn)換裝置——海流能水輪機(jī)主要分為透平類裝置和非透平類裝置兩類[3]。前者具有體積小和便于控制等特點(diǎn)[4]。其中，按照葉輪轉(zhuǎn)軸與來流方向的位置又可分為水平軸式和垂直軸式，由于水平軸式海流能水輪機(jī)以其良好的水動力學(xué)特性得到了廣泛的關(guān)注，為此，本文選取水平軸海流能水輪機(jī)作為研究對象。

大批學(xué)者針對海流能水輪機(jī)水動力學(xué)特性開展了廣泛的研究，如Bahaj等基于葉素動量理論對水平軸海流能水輪機(jī)進(jìn)行了水動力學(xué)特性和流場分析[5-6]，隨后又通過試驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析的可靠性[7-8]。Jo等針對小型水平軸海流能水輪機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了各不同葉尖速比下的流場分布情況[9-10]。

Goundar等對水平軸海流能水輪機(jī)進(jìn)行了三維外形設(shè)計(jì)[11]。Kang等利用浸入邊界法對實(shí)際運(yùn)行中的海流能裝置進(jìn)行了三維數(shù)值模擬[12]。目前大部分研究都集中在對現(xiàn)有葉片實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行水動力學(xué)特性分析，而本文主要提出基于CFD計(jì)算成果的海流能水輪機(jī)三維設(shè)計(jì)思路，并主要開展水平軸海流能水輪機(jī)變槳距角工況下的水動力學(xué)特性計(jì)算和分析，為海流能動力轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制提供參考。

1 基于CFD的葉片設(shè)計(jì)

1.1 控制方程

1.2 最佳攻角分析

水翼的升阻特性會隨著攻角α的變化而改變，一般用升阻比CL/CD來衡量水翼性能的優(yōu)劣，當(dāng)升阻比最大時對應(yīng)的便是最佳攻角?，F(xiàn)取攻角從0°-20°之間變化，分別計(jì)算各個攻角下的升阻比。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。當(dāng)攻角從0°增加到7°的過程中，升阻比不斷增加；當(dāng)攻角從7°增加到20°的過程中，升阻比不斷減小。最大升阻比所對應(yīng)的攻角為7°，故最佳攻角為7°。

1.3 三維葉片設(shè)計(jì)

葉片設(shè)計(jì)即在給定的設(shè)計(jì)功率200W和其他基本參數(shù)下，通過對Wilson設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程和優(yōu)化計(jì)算，得到各截面的最佳弦長和扭角。具體計(jì)算步驟如下：

①根據(jù)葉素理論，將葉片沿展向均勻分成n個斷面，設(shè)第i斷面半徑為ri；

②分別求半徑為ri的各截面的最大功率利用系數(shù)，進(jìn)而求出弦長C和入流角φ；

③根據(jù)θ=φ-α求解出安裝角θ，其中α為葉素最佳攻角，根據(jù)1.3節(jié)CFD計(jì)算結(jié)果，取α=7°。

根據(jù)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出各葉素截面的三維坐標(biāo)，最終形成的海流能水輪機(jī)葉片三維實(shí)體模型如圖2所示。

2 海流能水輪機(jī)水動力學(xué)特性分析

現(xiàn)對不同的槳距角進(jìn)行分析。圖3-圖5所示分別為不同槳距角下海流能水輪機(jī)功率系數(shù)、扭矩系數(shù)、軸向力系數(shù)隨葉尖速比λ變化的情況以及最大功率系數(shù)、最大扭矩系數(shù)、最大軸向力系數(shù)隨槳距角θm變化的情況。槳距角不變時，隨著λ的增加，功率系數(shù)和扭矩系數(shù)先增加后減小，軸向力系數(shù)先增加，達(dá)到最值后有逐漸減小的趨勢。槳距角越大，扭矩系數(shù)在越小的λ下達(dá)到最值，增加槳距角有助于在來流速度較小時啟動；葉片的迎流面積越小，軸向力系數(shù)越小。

而對于不同的槳距角，最大功率系數(shù)隨著槳距角的增加先增大后減小，最大扭矩系數(shù)隨著槳距角的增加而增加，最大軸向力系數(shù)隨著槳距角的增加而減小。這說明當(dāng)流速較小時，可以通過增大槳距角啟動葉輪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)流速過大時，可以通過增大槳距角來減小其軸向荷載，進(jìn)而保證整個裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

本文首先基于CFD對二維水翼進(jìn)行了流場數(shù)值模擬，找到最佳攻角。然后對Wilson設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程計(jì)算，設(shè)計(jì)出功率為200W的海流能水輪機(jī)葉片。最后分析了該海流能水輪機(jī)變槳距角下的水動力學(xué)特性。通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海流能水輪機(jī)功率系數(shù)、扭矩系數(shù)、軸向力系數(shù)都隨葉尖速比的增加先增加后減小。最大功率系數(shù)、最大扭矩系數(shù)隨著槳距角的增加而增大，最大軸向力系數(shù)隨著槳距角的增加而減小。研究表明，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著流速的不斷增加，其軸向力也逐漸增大，過大的流速將會對裝置產(chǎn)生破壞；另一方面，當(dāng)流速較小時，小槳距角的扭矩較小，葉輪難以啟動，而通過改變?nèi)~片的槳距角，可以有效解決以上問題，進(jìn)而保證整個裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

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