水平軸潮流輪機(jī)葉片優(yōu)化及數(shù)值模擬研究.pdf

1、通過(guò)在將潮流中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成葉片的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量以此來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電設(shè)備稱為潮流輪機(jī)，與傳統(tǒng)的堤壩式潮汐電站相比，潮流輪機(jī)的發(fā)電成本更低。近年來(lái)，由于溫室效應(yīng)日益嚴(yán)峻，節(jié)碳減排放成為可再生能源關(guān)注的重點(diǎn)，與風(fēng)能相比，潮流能能量密度更大，可預(yù)測(cè)性更強(qiáng)，因而稱為世界科研的新熱點(diǎn)。如何有效且高效的獲取潮流能資源稱為研究的主要命題。一方面要設(shè)計(jì)研發(fā)新的潮流輪機(jī)適用的新的翼型族，保證翼型在工作時(shí)能滿足潮流輪機(jī)對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的要求，同時(shí)開發(fā)新的潮流輪機(jī)葉片提

2、升潮流輪機(jī)的能量利用效率。另一方面需要建立起合理且有效的潮流輪機(jī)特性預(yù)測(cè)方法，提升設(shè)計(jì)水平，以此來(lái)設(shè)計(jì)出高效運(yùn)行的潮流輪機(jī)機(jī)組。因此，開發(fā)新的潮流輪機(jī)適用翼型，改善翼型的動(dòng)力學(xué)特性為潮流輪機(jī)翼型設(shè)計(jì)提供優(yōu)秀的翼型族是設(shè)計(jì)高效潮流輪機(jī)機(jī)組的基礎(chǔ)。要設(shè)計(jì)優(yōu)秀的葉片氣動(dòng)外形，必須對(duì)現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行論證以及改善，提升其預(yù)測(cè)精度。
　　本文以NACA63-8XX系列翼型潮流輪機(jī)為研究對(duì)象對(duì)其基礎(chǔ)翼型，氣動(dòng)外形工作特性預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，其

3、具體內(nèi)容如下：
　　本文采用了翼型動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)軟件XFoil并驗(yàn)證了其預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，結(jié)合MATLAB平臺(tái)，采用嵌入編程，以NACA63-815翼型為基礎(chǔ)模板翼型，參數(shù)化翼型結(jié)構(gòu)后，并驗(yàn)證了參數(shù)化翼型的幾何收斂以及氣動(dòng)收斂特性。通過(guò)界定翼型參數(shù)的優(yōu)化范圍，采用粒子群算法，以翼型的動(dòng)力學(xué)特性為優(yōu)化函數(shù)，采用多目標(biāo)權(quán)重優(yōu)化，得到了優(yōu)化翼型。分析了優(yōu)化翼型與原翼型之間動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)翼型的升力系數(shù)提升明顯，翼型的升阻比在0～20°范圍

4、內(nèi)，均有不同程度的提升，驗(yàn)證了翼型動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)化結(jié)果。
　　基于葉素動(dòng)量定理方法（BEM），采用翼型動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)軟件XFoil軟件提供實(shí)時(shí)的翼型動(dòng)力學(xué)參數(shù)參與葉片葉素截面的徑向速度系數(shù)以及軸向速度系數(shù)的迭代過(guò)程，引入了描述翼型局部雷諾效應(yīng)的雷諾數(shù)算法，得到了雷諾數(shù)修正的葉素動(dòng)量定理模型，比較了其計(jì)算精度與未考慮雷諾數(shù)算法的潮流輪機(jī)商業(yè)軟件的計(jì)算結(jié)果，表明雷諾數(shù)修正的潮流輪機(jī)預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性以及預(yù)測(cè)精度均有所提升。且在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，雷諾

5、數(shù)修正的葉素動(dòng)量定理模型的預(yù)測(cè)誤差由原來(lái)的50％降低到7%。
　　采用優(yōu)化的翼型族對(duì)潮流輪機(jī)的葉片氣動(dòng)幾何特性進(jìn)行了改善，基于XFoil以及修正的雷諾數(shù)BEM模型，對(duì)潮流輪機(jī)在不同的葉尖速度比（TSR）下的能量利用系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了優(yōu)化潮流輪機(jī)的氣動(dòng)幾何特征。分析了優(yōu)化葉片在不同葉尖速度比（TSR）下的性能特性，發(fā)現(xiàn)潮流輪機(jī)的性能與原潮流輪機(jī)相比，除TSR=6時(shí)，性能些許下降外，其余工況下，潮流輪機(jī)的特性均有提升，最大能量系數(shù)提