潮流能水平轴水轮机叶片优化研究_王树杰
浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究
58卷第2期（总第222期) 2017年6月中国造船SHIPBUILDING OF CHINAVol.58 No.2(Serial No. 222)Jun.2017文章编号：1000-4882 (2017) 02-0189-10浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究马伟佳\荆丰梅、王树齐2,刘京1(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001;2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江212003)摘 要浪流共存环境中的潮流能水轮机性能研究旨在为准确地估计潮流能发电装置的生存性及获能效率等重 要指标提供依据。
论文基于模型试验的方法，采用发电功率为l k W的水平轴水轮机模型，在不同叶尖浸没水 深条件下，研究规则波以及极限波作用下的水轮机特性，揭示其功率与载荷的变化规律。
研究结果可为潮流 电站设计提供依据以及为数值方法的有效性验证提供数据。
关键词：浪流共存；潮流能；水平轴水轮机；模型试验中图分类号：T K7文献标识码：A〇引言近年来，海洋可再生能源开发利用受到了髙度重视。
包括潮流能在内的海洋能开发利用，不仅有 利于发展海洋经济、降低排放并改善海洋环境，而且对管控和建设远离大陆的海岛（500 m2以上的6500 多个海岛）有重大的战略意义。
我国东海、南海岛屿分布广、离岸远，若从大陆长距离海上输送电能则 不现实；若把煤炭或油气远距离运送到海岛上再发电，对于东海、南海的岛屿则耗费巨大；而利用潮 流能来满足海岛建设的能源需求则是最好的选择之一。
潮流的流速和流向是周期性变化的，受岸线、海底山脉和自由面的影响，潮流中伴随大尺度的旋 涡和小尺度的湍流，流速和流向均不稳定。
波浪是水体重力与惯性力的动态平衡，利用波浪可以发电,但是波浪对潮流能装置的能量捕获是有影响的。
英国的E P S R C[1]报告指出：浪流共存环境中的海洋能 装置的水动力性能已被认为是一个很重要问题；如果对此没有很好的认知，就不能较准确地估计装置 的生存性、获能效率等重要指标。
潮流能水轮机尾流场及涡特性DDES模拟
第40卷第3期2021年9月海岸工程C O A S T A L E N G I N E E R I N G V o l .40 N o .3S e pt e m b e r ,2021潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S 模拟何 聪,史宏达,张 嶔*,赵昌宇,翟仁彬(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)收稿日期:2021-05-24资助项目:国家重点研发计划项目 基于我国资源特性的海洋能高效利用创新技术研发(2018Y F B 1501900);山东省重点研发计划(重大科技创新工程)项目 海洋可再生能源互补利用关键技术研究与示范(2019J Z Z Y 010902);山东省自然科学基金项目 潮流㊁波浪能高效捕获与转换基础研究(Z R 2017Z A 0202);海洋可再生能源专项项目 100k W 潮流能发电装置研究安装(G HM E 2010G C 02-2)作者简介:何 聪(1994-),男,硕士研究生,主要从事海洋可再生能源开发与利用方面研究.E -m a i l :o u c _h e c o n g @163.c o m *通信作者:张 嶔(1983-),男,副教授,博士,硕士生导师,主要从事旋翼类尾流方面研究.E -m a i l :z h a n g q i n 2000@o u c .e d u .c n (李 燕 编辑)摘 要:为研究潮流能水轮机尾流场流动特性及涡结构组成,基于D D E S (D e l a y e dD e t a c h e dE d d y S i m u l a t i o n )模型对不同流速和转速的4种工况下水轮机尾流场进行数值模拟,并进一步探究其尾流场空间涡结构的变化特性㊂结果表明,水轮机的数值模拟结果与试验结果能够较好吻合㊂对比不同工况下的尾流场模拟结果可知:水轮机尾流区域流动复杂,延迟分离涡模拟方法能有效模拟水轮机旋转过程中产生的叶尖涡㊁叶尖脱落涡㊁轮毂涡等不同涡结构,并能完整观察到叶尖涡的产生㊁脱落㊁失稳㊁破碎过程㊂转速一定时,流速越大,叶尖脱落涡㊁轮毂涡的发展距离越远;流速一定时,转速越大,涡的发展距离越短㊂本文数值模拟计算结果可为实际海况中潮流能阵列水轮机的布局提供可靠依据㊂关键词:潮流能;尾流场;数值模拟;D D E S 模型;涡结构中图分类号:T K 73 文献标志码:A 文章编号:1002-3682(2021)03-0187-09d o i :10.3969/j .i s s n .1002-3682.2021.03.003引用格式:H EC ,S H IH D ,Z HA N G Q ,e t a l .S i m u l a t i o n o fw a k ef i e l d a n d v o r t e x p r o p e r t i e s o f t i d a l t u r b i n e b a s e d o nD D E S [J ].C o a s t a l E ng i n e e r i n g ,2021,40(3):187-195.何聪,史宏达,张嶔,等.潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S 模拟[J ].海岸工程,2021,40(3):187-195.潮流能因可预测性高㊁储量丰富而被广泛研究㊂水平轴潮流能水轮机能很好地转换利用潮流能,但高昂的发电成本影响了潮流能的商业发展㊂采用多机组潮流能水轮机阵列能有效节省发电成本㊁增加供电量,通过对尾流结构研究可以确定相邻水轮机之间的最佳距离,从而获得更高的转换效率[1]㊂同时,水轮机尾流对海床冲刷㊁积淤等也有重要影响[2]㊂因此研究潮流能水轮机的尾流结构有重要意义㊂在潮流能尾流场研究中,G a u r i e r 等[3]利用实验对比了不同湍流下的水轮机性能,结果表明低流速下水轮机荷载会受内部湍流结构的影响㊂张玉全等[4]讨论了水轮机安装高度对尾流扩散的影响,提出增加水轮机与池底的距离可以加快尾流恢复速度,减小尾流长度㊂但尾流复杂的物理规律没有被完全揭示,随着科学技术进步,数值模拟因成本低㊁效率高逐渐应用于潮流能水轮机尾流的空间演变过程研究㊂L e r o u x 等[5]使用R A N S -S S T 模型对潮流能水轮机进行了数值模拟研究,结果表明稳态和瞬态的方法在潮流能水轮机性能模拟方面精确度相似,都能较好预测推力系数和功率系数,但是在对尾流的数值模拟中,瞬态模拟的结果更加符合实验结果㊂A f g a n 等[6]对比了基于R A N S 和L E S 模型对潮流能水轮机尾流场的数值模拟差异,结果表明L E S 模型可以捕捉到叶片尖端旋涡及解释支撑塔架对尾流的相互影响,而R A N S 未捕捉到这2种旋涡㊂相比R A N S 模型,L E S 模型对流场的描述更加准确详细㊂但需要昂贵的计算成本,且受限于计算设备㊂为了减少求解边界层湍流结构的计算量,D E S 模型被提出并后续优化为D D E S 模型㊂本文基于D D E S 方法对潮流能水轮机尾流场进行数值模拟,通过与实验结果对比,验证数值模拟的计188 海 岸 工 程40卷算精度和可靠性,叙述数值模拟的网格类型㊁模型参数㊂重点分析水轮机尾流场的典型物理量的分布特征,以及研究水轮机的涡结构发展过程㊂1 几何模型与计算区域潮流能水轮机几何模型采用P a yn e 等[7]设计的三叶片水平轴水轮机模型(图1)㊂转盘半径(R )为0.6m ,叶片翼型为N A C A63-8X X ㊂水轮机尾舱由两部分组成,直径(D )由0.12m 增加至0.16m ㊂数值模拟的计算域大小与实验水槽尺寸相符,长11D ,宽3.3D ,高1.7D (图2)㊂计算域原点位于水轮机转子顶部中心㊂图1 水轮机模型F i g .1 M o d e l o f t h ew a t e r t u r b i n e 图2 计算域尺寸F i g .2 D i m e n s i o no f t h e c o m p u t a t i o nd o m a i n 对入口的边界条件设定为速度入口,(x ,y ,z )向流速分别为(0.81,0,0)m ㊃s -1,湍流强度为12%㊂顶部㊁两侧和底部的边界类型为对称边界条件 s y mm e t r y ,出口处设置为压力出口,水轮机的叶片和尾舱部分设置为无滑移壁面边界类型㊂2 数值模型建立2.1 湍流模型D DE S 模型较D E S 模型[8]引入一个延迟函数,重新构造了D D E S 的长度尺度,同时考虑了网格尺度和涡黏场,避免了从R A N S 到L E S 的切换太过靠近壁面,也防止模型预测过早分离㊂本文基于S S T 模型的D DE S -S S T 方法[9],其控制方程为∂ρk ∂t +Ñ㊃ρU k ()=Ñ㊃μ+σk μt ()Ñk []+P k -ρk 3/l D D E S ,(1)∂ρω∂t +Ñ㊃ρU ω()=Ñ㊃μ+σωμt ()Ñω[]+21-F 1()ρσω2Ñk ㊃Ñωω+αρμt -βρω2,(2)μt =ρa 1㊃k m a x a 1㊃ω,F 2㊃S (),(3)式中:ρ为流体密度;U 为速度;k 为瞬时湍流动能;l D D E S 为D D E S 长度尺度;ω为比耗散率;σk =0.85㊁σω=0.5㊁σω2=0.856㊁a 1=0.31㊁α=1㊁β=0.09,均为模型系数;S 为应变力张量;P k ㊁P w 为结果项;P 为压力;μt 为湍流涡黏度;F 1㊁F 2为S S T 的混合函数㊂式(1)中D D E S 的长度尺度l D D E S 为l D D E S =l R A N S -f d m a x (0,l R A N S -l L E S ),(4)式中:I L E S ㊁I R A N S 分别为L E S ㊁R A N S 的长度尺度㊂D D E S 的长度尺度l D D E S 和涡黏性场㊁时间有关,其作用能使R A N S 湍流模型具有自我延续功能㊂如果3期何 聪,等:潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S 模拟189 数学函数f d 表明某点位于边界层内,则使用长度尺度l D D E S 的模型可以判断转变为LE S 模式的时机㊂当出现大范围的分离流动时,f d 值就会从0转变为到L E S 模型㊂流体发生分离后从R A N S 到L E S 的转换比D E S 方法更迅速㊂D E S 结合了R A N S 和L E S 的优势同时相比L E S 计算量减少,而D D E S 改善了D E S 存在的灰色区域和模化应力不足的问题㊂2.2 网格划分结构化网格能够对尾流场信息捕捉效果更好,网格较为规整㊂非结构化网格对复杂区域处理更为高效,同时也能保证数值模拟的精确性[10]㊂因此本文利用P o i n t w i s e 18网格划分软件,采用混合网格类型对潮流能水轮机进行网格生成㊂即水轮机叶片面网格㊁叶片周围的体网格以及水轮机尾流区域采用结构化网格,转子顶部㊁尾舱表面网格使用非结构化三角形网格(图3)㊂借助软件中的 V o e x l 算法完成计算域中体网格的填充,该算法以四面体㊁金字塔㊁棱柱等类型填充过渡区域,在尾流区域填充六面体结构化网格(图4)㊂网格拓扑结构分为动域与静域两部分,动域包含水轮机叶片与转子,静域为流场其余部分(图5)㊂此拓扑结构有利于水轮机进行定常的多重参考系㊁非定常的滑移网格方法计算㊂图3 水轮机面网格划分F i g .3 S u r f a c e g r i dd i v i s i o n s o f t h ew a t e r t u r b i n e 图4 V o e x l 算法对叶片附近填充的体网格F i g .4 T h e v o l u m e g r i d s f i l l e dn e a r t h eb l a d e s b a s e do n t h eV o e x l a l g o r i t h m图5 计算域网格F i g .5G r i d s o f t h e c o m p u t a t i o nd o m a i n 2.3 网格无关性分析以粗网格㊁中网格㊁细网格类型,设计了3种密度的水轮机网格数量,详见表1㊂在加密动域的同时,静域网格数也在增加,使得动域㊁静域交界面网格尺寸大小相近,以保证网格连续性和良好的过渡性,提高数值模拟计算的精确性㊂采用湍流 S p a l a r t -A l l m a r a s 模型进行稳态计算,停止标准为迭代5000次,在迭代3000次时水轮机推力值趋于稳定㊂水轮机网格在计算得出壁面的最大Y +值在5以内,出现在叶尖处,最小首层网格厚度为1ˑ10-7m ㊂随着水轮机网格的不断加密,推力系数也在增加㊂当网格加密至4182W 时,推力系数监测值变化190 海 岸 工 程40卷幅度减小,而粗网格和细网格的推力差距较大㊂综合计算精度㊁计算资源成本,本文最终选择细网格作为数值模拟的最终网格㊂表1 5种网格的静域、动域网格数T a b l e 1 T h e g r i dn u m b e r o f t h e s t a t i c a n d t h e d y n a m i c d o m a i n s o f 5k i n d s o f g r i d s 网 格动域网格数/个静域网格数/个总网格数/个推力系数粗网格1719564356641252859760.78中网格482838710613844154422310.80细网格1544223126375841418180720.813 计算结果与讨论3.1 水轮机性能结果验证水轮机性能与流场参数定义如下:R T S =ωR U 0,(5)C T =T 0.5ρU 20A ,(6)C P =P 0.5ρU 30A =Q ωR 0.5ρU 30A ,(7)E T K =U '2x +U '2y +U '2z 2,(8)式中:R T S 为转速比;C T ,C P 分别为水轮机的推力系数和功率系数;P 为功率;E T K 为湍流动能(m ㊃s -1)2;ω为水轮机旋转速度(r a d ㊃s -1);R 为水轮机半径(m );U 0为入口流速(m ㊃s -1);T 为转子推力(N );ρ为水的密度(k g ㊃m -3);A 为转盘面积(m 2);Q 为水轮机转矩(N ㊃s );U x ㊁U y ㊁U z 分别为x ㊁y ㊁z 流向的瞬时速度与平均速度差值(m ㊃s -1)㊂以细网格进行定常计算,设置水轮机R T S 分别为5.37,5.52,5.75,5.98,6.52,6.97和7.51㊂通过功率系数㊁推力系数式(6)~式(7)计算得出水轮机在不同转速下的推力系数与功率系数㊂由图6可见,数值模拟结果低于实验结果的7%,但是仍处于实验采集数据的相对误差10%范围内㊂由于本文主要对尾流场发展规律进行研究,未考虑实验中的支撑结构,该部分误差可能来源于支撑结构的影响[11]㊂图6 实验与数值模拟的功率系数和推力系数对比F i g .6 C o m p a r i s o no f p o w e r c o e f f i c i e n t a n d t h r u s t c o e f f i c i e n t b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t s a n d t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n s3期何聪,等:潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S模拟191 3.2水轮机尾流结果验证在入口x向流速为0.81m㊃s-1㊁转速为9.01r a d㊃s-1工况时,非定常模型计算的时间步长为9.69ˑ10-4 s,每步最大迭代次数8次㊂达到停止时间32s后,水轮机在旋转10圈后流场达到稳定状态㊂取数值模拟结果中水轮机旋转最后5圈数据进行相位平均处理㊂由此得出水轮机尾流场中X=0.1D,0.5D和1.0D截面上监测点的平均速度,并与实验监测数据[7]进行对比㊂在Y=0处,因为尾舱的存在,X=0.1D,0.5D截面下,尾舱直径的部分实验与数值数据均无法采集㊂由图7可见,数值模拟的尾流速度与实验尾流的截面数据吻合良好,下游数值结果中出现的差异主要与数值模拟中使用的简化有关,其中没有对支撑结构进行建模,而尾舱被短圆柱代替㊂上述结果说明数值计算模型的计算精度较高,对后续尾流场及涡特性分析具备一定的可信度㊂图73个截面下数值模拟与实验尾流监测点速度对比F i g.7C o m p a r i s o n o f t h ew a k e s p e e d s a t t h em o n i t o r i n gp o i n t s o f t h r e e s e c t i o n s b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t s a n d t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s3.3水轮机尾流特性分析本文以不同转速㊁不同流速设计了4种工况,以此进行尾流场结果的对比分析,并研究尾流场的发展规律㊂同时借助高性能计算集群,以192核的计算资源对潮流能水轮机单个工况并行计算,各算例详细信息及计算所耗时间见表2㊂表2数值模拟中各工况详细信息及计算耗时T a b l e2 T h e d e t a i l e d i n f o r m a t i o na n d c o m p u t a t i o n t i m e o f e a c hw o r k i n g c o n d i t i o n s i n t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n s 工况流速/(m㊃s-1)转速/(r a d㊃s-1)总耗时/h10.617.35102.520.619.0198.430.817.35102.740.819.0198.5湍流是非常复杂的随机过程,对湍流动能的分析可以了解流场湍流随时间和空间变化的情况㊂为贴近真实的海洋流场情况,入口边界至X=3D处的湍流动能值较高㊂对湍流动能数值高于10-4的区域进行遮192 海 岸 工 程40卷挡,以便对尾流场湍流动能观察更为清晰㊂由图8可见,4种工况中流场湍流动能均沿Z =0对称分布,低流速流场在X =5D 处湍流动能开始减弱㊂此后,流场的发展以自由剪切流与尾流混合发展为主㊂湍流动能在X =8.5D 处向中心聚集㊂高流速流场中,尾舱后的湍流动能数值为低流速流场3倍,高转速下的流场,湍流动能在发展至X =6D 时,湍流动能有增加的趋势,在X =9.5D 处湍流动能明显增加㊂这说明在高转速情况下,流场与水轮机转速后的尾流与自由流存在混合现象,增强了尾流的湍流效应,从而导致湍流动能增加㊂低转速下,湍流动能从X =5.5D 开始减弱,但流场发展仍以水轮机旋转产生的尾流为主㊂图8 4种工况下Y =0截面的湍流动能云图F i g .8 C l o u dm a p o f t h e t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y a t Y =0s e c t i o nu n d e r t h e f o u rw o r k i n g c o n d i t i o n s 图9中给出了4种工况下的涡量云图㊂涡量是描述流体的旋转运动特性的物理量,能表征涡特性及涡分离㊁脱落演化过程,由对速度的旋度计算得来㊂x ,y ,z 方向涡量的计算公式为ωx ωy ωz éëêêêêùûúúúú=∂w ∂y -∂v ∂z ∂u ∂z -∂w ∂x ∂v ∂x -∂u ∂y éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú,(9)3期何聪,等:潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S模拟193式中:u㊁v㊁w分别为x㊁y㊁z方向的速度㊂涡量(单位为S-1)值大小的计算方法为 ω =ω2x+ω2y+ω2z㊂由图9可见,从Y=0截面观察到水轮机叶尖后产生2个主涡带,转轴后为2个次涡带,轮毂涡在经过尾舱后发展成为一个涡带㊂由于叶片的高速旋转,而叶尖处形成叶尖涡,并逐步脱落形成叶尖脱落涡㊂4种工况下的叶尖脱落涡以规则圆形向后发展㊂并且沿流场方向直径增加,涡结构失稳直至消散㊂在工况1与工况2中能清晰观察到绕尾舱旋转的轮毂涡㊂由水轮机叶片根部旋转与尾舱的相互作用产生,并从尾舱末端脱落㊂高流速流场叶尖脱落涡在X=7D处开始减弱㊁消散,而低流速流场叶尖脱落涡在X=5D处开始消散㊂图94种工况下的涡量云图F i g.9 C l o u dm a p o f t h e v o r t i c i t y u n d e r t h e f o u rw o r k i n g c o n d i t i o n s图10为4种工况下的尾流场涡量等值面图,通过对水轮机的三维涡量等值面图分析,可以观察到水轮机中涡结构的详细发展过程㊂为了更清晰地观察流场涡结构的变化,以不同涡量值形成等值面,设置工况1~工况4的显示涡量值分别为3.0㊁3.8㊁3.5和5.0㊂图中展现的叶尖脱落涡最终都是以椭圆形状脱落,但是脱落过程不同,低流速流场较高流速流场的脱落过程往往更加迅速,叶尖脱落涡形成的涡环连续性更强,涡环之间的距离减少0.1D㊂高流速流场中,在叶片旋转与流场作用下,转盘中间形成的涡数量更多㊂轮毂涡在低流速流场下,绕尾舱旋转发展的迹象更突出,能观察到轮毂涡旋转时形成的涡环㊂轮毂涡在经过直径变194海岸工程40卷大的尾舱时,部分轮毂涡发生破碎㊂流场速度增加时,叶片与尾舱㊁流场之间的相互作用增强,轮毂涡的发展情况更为复杂,涡破碎现象更为明显㊂当流速一定时,转速增加,叶尖涡脱落形成的涡环直径增加㊂具体变化为工况1涡环直径由0.18D增加至与工况3的0.2D,工况2涡环直径由0.19D增加至与工况4的0.22D㊂注:涡量颜色根据速度渲染,各工况涡量等值面设置:(a)涡量值为3;(b)涡量值为3.8;(c)涡量值为3.5;(d)涡量值为5.0图10尾流场的涡量等值面云图F i g.10 C l o u dm a p o f t h e v o r t i c i t y i s o s u r f a c e o f t h ew a k e f i e l d4结论本文采用D D E S方法对水轮机尾流场进行数值模拟研究,通过对比不同入流与水轮机转速尾流场的数值模拟结果,得出以下结论:①4种工况下湍流动能均沿Z=0轴对称分布,转速一定时,流速越大湍流动能越高㊂流速一定时,转速越大流场的自由流与尾流混合现象越明显㊂②水轮机尾流场涡结构主要由叶尖涡㊁叶尖脱落涡和轮毂涡组成㊂流场的入流速度与转速会影响尾流场中涡结构发展距离与涡量形成大小㊂转速一定时,流场流速越大,叶尖脱落涡㊁轮毂涡的发展距离越远㊂流速一定时,转速越大,涡的发展距离越短㊂本文对比了不同工况潮流能水轮机尾流涡结构发展变化规律,研究结论可为潮流能水轮机的阵列布局提供技术支持,对未来环境保护㊁海床冲刷研究奠定基础㊂同时,研究结论可为潮流能水轮机的阵列布局提供技术支持,对未来环境保护㊁海床冲刷研究奠定基础㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] G A J A R D O D,E S C A U R I A Z AC,I N G R AM D M.C a p t u r i n g t h ed e v e l o p m e n t a n d i n t e r a c t i o n so fw a k e s i nt i d a l t u r b i n ea r r a y su s i n g ac o u p l e dB E M-D E Sm ode l[J].O c e a nE n g i n e e r i n g,2019,181:71-88.3期何聪,等:潮流能水轮机尾流场及涡特性D D E S模拟195 [2] H I L LC,MU S A M,C H AMO R R OLP,e t a l.I n t e r a c t i o nb e t w e e n a n a x i a l-f l o w m o d e l h y d r o k i n e t i c t u r b i n e a n d a n e r o d i b l e c h a n n e l[J].O p e n J o u r n a l o fO b s t e t r i c s&G y n e c o l o g y,2013,3(7):573-576.[3] G A U R I E RB,I K H E N N I C H E U M,G E RMA I NG,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o f b a t h y m e t r y g e n e r a t e d t u r b u l e n c e o n t i d a l t u r b i n e b e h a v-i o u r[J].R e n e w a b l eE n e r g y,2020,156:1158-1170.[4] Z H A N G YQ,Z H A N GZ,Z H A N GJ S,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n tw a t e r d e p t h o n t i d a l t u r b i n e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s[J].P r o c e ed i n g s o f t h eC S E E,2020,40(21):6973-6982.张玉全,张智,张继生,等.水深变化影响下潮流能水轮机尾流场特性实验研究[J].中国电机工程学报,2020,40(21):6973-6982.[5] L E R O U X T,O S B O U R N E N,G R O U L X D.N u m e r i c a l s t u d y i n t oh o r i z o n t a l t i d a l t u r b i n ew a k ev e l o c i t y d e f i c i t:q u a s i-s t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n t a p p r o a c h e s[J].O c e a nE n g i n e e r i n g,2019,181:240-251.[6] A F G A NI,M C N A U G H T O NJ,R O L F OS,e t a l.T u r b u l e n t f l o wa n d l o a d i n g o na t i d a l s t r e a mt u r b i n e b y L E Sa n dR A N S[J].I n t e r n a-t i o n a l J o u r n a l o fH e a t a n dF l u i dF l o w,2013,43:96-108.[7] P A Y N EGS,S T A L L A R DT,MA R T I N E ZR.D e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f ab e ds u p p o r t e d t i d a l t u r b i n em o d e l f o rb l a d e a n ds h a f t l o a dm e a s u r e m e n t i n t u r b u l e n t f l o wa n dw a v e s[J].R e n e w a b l eE n e r g y,2017,107:312-326.[8] H A N T,T A N G HL.R e s e a r c h o nD E S a n dD D E S n u m e r i c a l s i m u l a t i o n b a s e d o nu n s t r u c t u r e dm e s h s o l v e r[J].J o u r n a l o f S h e n y a n g A e r-o s p a c eU n i v e r s i t y,2019,36(1):41-48.韩涛,唐海龙.基于非结构网格求解器的D E S和D D E S数值模拟研究[J].沈阳航空航天大学学报,2019,36(1):41-48.[9] S T A B N I K O V AS,G A R B A R U K A V.P r e d i c t i o n o f d r a g c r i s i s o n a c i r c u l a r c y l i n d e r u s i n g a n e wa l g e b r a i c t r a n s i t i o nm o d e l c o u p l e dw i t hS S TD D E S[J].J o u r n a l o f P h y s i c s:C o n f e r e n c eS e r i e s,2020,1697:012224.[10] B E N A R DP,V I RÉA,MO U R E A U V,e t a l.L a r g e-e d d y s i m u l a t i o n o fw i n d t u r b i n e sw a k e s i n c l u d i n g g e o m e t r i c a l e f f e c t s[J].C o m p u t e r s&F l u i d s,2018,173:133-139.[11] MU C HA L AS,W I L L D E N R HJ.I n f l u e n c e o f s u p p o r t s t r u c t u r e s o n t i d a l t u r b i n e p o w e r o u t p u t[J].J o u r n a l o fF l u i d s a n dS t r u c t u r e s,2018,83:27-39.S i m u l a t i o no fW a k eF i e l d a n dV o r t e xP r o p e r t i e s o fT i d a lT u r b i n eB a s e d o nD D E SH EC o n g,S H IH o n g-d a,Z H A N G Q i n,Z H A O C h a n g-y u,Z H A IR e n-b i n(S c h o o l o f e n g i n e e r i n g,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266100,C h i n a)A b s t r a c t:T o s t u d y t h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n dv o r t e xs t r u c t u r eo f t h e t i d a l t u r b i n ew a k e f i e l d,t h ew a k e f i e l do f t h e t u r b i n e i s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e du n d e r f o u r c o n d i t i o n so f d i f f e r e n t f l o wv e l o c i t i e s a n d r o t a t i n g s p e e d s b a s e do nD D E Sm e t h o d,a n d t h e s p a t i a l v a r i a t i o no f t h e v o r t e x s t r u c t u r e o f t h ew a k e f i e l da r e f u r-t h e r e x p l o r e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e s i m u l a t i o n s o f t h e t u r b i n e a r e i n g o o d a g r e e m e n tw i t h t h e e x p e r i-m e n t s.F r o mt h e c o m p a r i s o no f t h ew a k e f i e l d s i m u l a t i o n s u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s i t c a nb e l e a r n e d t h a t t h e f l o wi n t h ew a k e a r e a o f t h e t u r b i n e i s c o m p l e x,a n dd i f f e r e n t v o r t e x s t r u c t u r e s s u c h a s t i p v o r t e x,t i p s h e d d i n g v o r t e x a n dh u b v o r t e x g e n e r a t e dd u r i n g t h e r o t a t i o n o f t h e t u r b i n e c a nb e e f f e c t i v e l y s i m u l a t e db y t h em e t h o d o f d e l a y e d s e p a r a t i o nv o r t e x,a n d t h e p r o c e s s e s o f g e n e r a t i o n,s h e d d i n g,i n s t a b i l i t y a n db r e a k-i n g o f t h e t i p v o r t e x c a nb e o b s e r v e d c o m p l e t e l y.W h e n t h e s p e e d i s c o n s t a n t,t h e l a r g e r t h e f l o wv e l o c i t y, t h e f a r t h e r t h e d e v e l o p m e n t d i s t a n c e o f t h e t i p s h e d d i n g v o r t e x a n d h u b v o r t e x;a n dw h e n t h e f l o wv e l o c i t y i s c o n s t a n t,t h e l a r g e r t h e s p e e d o f t h e r o t a t i o n,t h e s h o r t e r t h e d e v e l o p m e n t d i s t a n c e o f t h e v o r t e x e s.T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t h e s t u d y c a n p r o v i d e a r e l i a b l e b a s i s f o r t h e l a y o u t o f t i d a l c u r r e n t t u r b i n e a t t h e a c t u a l s e a c o n d i t i o n s.K e y w o r d s:t i d a l e n e r g y;w a k e f i e l d;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;D D E Sm o d e l;v o r t e x s t r u c t u r eR e c e i v e d:M a y24,2021。
基于遗传算法的潮流能水轮机翼型优化设计
基于遗传算法的潮流能水轮机翼型优化设计∗任毅如;张田田;曾令斌【摘要】为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型，基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型，该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素，采用XFOIL评估翼型的水动力性能，对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了优化设计。
数值结果表明，该模型能够根据不同的设计要求获得相对应的水轮机翼型，不仅可以改善翼型的水动力系数，还能够避免翼型空化现象的产生。
在最小化压力系数情况下，最大厚度位置更靠近翼型后缘，而最大化升力系数情况下则更靠近翼型前缘。
为了达到指定的设计目标，需要考虑多个攻角下的升力系数或压力系数。
%To give the specific hydrofoil for tidal turbine,the design optimization method for hydrofoil was inves-tigated.The proposed approach was based on genetic algorithm.The function of lift coefficient,lift-drag ratio,drag coefficient and pressure coefficient were chosen as the obj ective functions.XFOIL software was employed to evaluate the hydrodynamic efficiency and pressure on the surface.Several typical design obj ective functions were established under different design requirements,and the corresponding hydrofoil curves were given in the proposed method.Nu-merical result shows that this approach can deal with the hydrofoil design optimization problem for tidal turbine ac-cording to the specific design requirement.The given hydrofoil can not only improve hydrodynamic coefficient but also avoid its cavitation problem.The location of maximum thickness is closer to trailing edge for minimized pressure coef-ficient,while it approaches the leading edgeunder maximized lift coefficient condition.The hydrodynamic efficiencyand pressure distribution for various attack angles should be considered to achieve the designated obj ective function.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】6页(P59-64)【关键词】潮流能;水轮机;翼型;水动性能;空化【作者】任毅如;张田田;曾令斌【作者单位】湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙 410082;中国长江三峡集团公司，北京 100036;广州船舶及海洋工程设计研究院，广东广州 510250【正文语种】中文【中图分类】TK73随着世界经济的发展，能源消耗越来越多.由于化石能源危机以及传统能源所带来的环境污染和碳排放等问题，使得清洁的可再生能源日益重要.潮流能是一种非常重要的新能源，具有可靠、周期性、分布广泛、且可持续等优点.越来越多的国家已经开展了相关的研究，潮流能将在未来的能源中扮演重要角色.为了利用潮流能，采用水轮机作为主要的能量捕获装置，叶片作为直接承受水动力并将其转化为机械能的部件，对潮流能转化效率有重要影响.因此，叶片是潮流能水轮机设计中的关键部件.在水平轴潮流能叶片设计中，翼型选择、翼展、以及沿展向分布的弦长、厚度和扭转角度分布均为重要影响参数.此外，翼型前缘粗糙度、平台的升降运动和表面重力波等均会对水动性能产生重要影响[1-2].为了提高水轮机效率，国内外学者已经开展了相关的研究工作.Wu等人[3]引入Schmitz理论对桨叶进行设计，并充分考虑了空泡问题，能够提高水轮机效率.Battena等人[4]采用试验对动量方法进行了研究，表明该方法具有足够的精度，并采用该方法对叶片进行设计.Reza等人[5]采用响应面方法，以最大化输出功率为目标函数对海洋水平轴水轮机叶片沿展向的厚度和扭转角等进行优化设计.翼型设计是水轮机设计中的关键问题，只有选择合理的翼型，才能最大限度地提高水轮机效率．尽管已经开展了相关的研究，但是大都采用风力机和航空专用翼型，使水轮机无法达到最佳效率．因此，有必要研究适用于水轮机的最佳翼型．目前，国外的翼型研究与设计主要集中在飞行器和风力机领域，国内学者对风力机翼型也开展了相关研究[6-8].通过相关学者的研究，已经获得了重要的翼型数据，如专为风力机设计的翼型有SERI翼型、为了减小前缘粗糙敏感度的DU翼型和CAS-W1风力机翼型等，它们的共同特点是基于空气动力学原理，大都不是水轮机叶片的理想翼型.以应用最为广泛的NACA翼型为例，该系列翼型具有较差的失速特性，并且对于前缘粗糙度较为敏感.虽然水轮机和风力机以及飞行器机翼有很多相似之处，但是水轮机叶片的载荷环境有较大的不同.水的密度是空气密度的800多倍，因此水轮机所承受的载荷要大.此外，水轮机在水中运行过程中存在的空化现象可能会对叶片产生较大的破坏.因此相对于风力机叶片，不但需要尽可能避免空化的产生，还要求翼型具有更大的厚度来满足强度要求.目前，仍然缺乏对潮流能水轮机的专用翼型及其分析方法的研究，急需开展相关的研究工作.目前，在风力机和航空航天领域，已有学者开展了翼型优化设计的研究，Lighthill[9]采用了反设计技术.反设计方法的基本思想是由假定分布在翼型表面的压力系数来构造翼型曲线，通过迭代办法不断修正压力分布来达到指定的设计要求.尽管该方法已被广泛采用，但是在设计过程中无法同时考虑多个设计要求.由于水轮机翼型有多方面的设计要求，必须采用多目标设计方法.Grasso[10]采用基于梯度方法对水轮机翼型在7°攻角下的水动性能进行了优化设计.为了使潮流能水轮机在1～3 m/s流速下达到较好的性能，Goundar等人[11]对翼型的高升力、高升阻比、较高的强度以及空泡的出现等问题开展研究.Molland等人[12]采用XFOIL对二维水翼的空泡问题开展研究.尽管在潮流能水轮机优化设计方面已有了一些研究成果，但是在翼型设计方面仍然处于起步阶段，并且国内的相关研究工作基本处于空白，因此急需开展相关研究.本文以潮流能水轮机叶片翼型为研究对象，建立了翼型优化设计模型，该模型同时考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和表面压力系数等因素.为了获得全局最优解，采用遗传算法进行求解，水动性能和压力系数通过XFOIL数值仿真软件获得，最后采用该方法获得了不同设计目标情况下的翼型，通过对比分析得到了各种翼型的特点，为进一步开展水轮机设计提供依据.1.1 水轮机翼型设计要求由于处于不同的流体介质中，故风力机和水轮机叶片的设计要求有较大的不同.风向和风力具有较大的随机性，风力机叶片的气动弹性等问题较为显著，在风力机设计中，选择较高的设计升力系数能够降低阵风和疲劳载荷，改善风力机的使用寿命.与风力机不同，水轮机的流体环境中的湍流较低，流速较小并且比较稳定，因此疲劳并不是水轮机的显著问题.由于阵风的影响，风力机叶片可能处于失速区域，当攻角到达失速点后，气动效率可能急剧下降.因此，翼型分离点设计显得尤为重要.对于潮流能水轮机，在设计中更希望水动性能不要随着攻角的变化过于剧烈，尤其是在失速区域[13].在具体的翼型设计中要求分离点随着攻角的增加而缓慢向后缘移动.一般情况下，风力机叶片较为细长，可能产生较大的扭转力矩，所以风力机的力矩系数是一个非常重要的设计参数.而水轮机叶片的展弦比较小，叶片足够刚硬，所以力矩系数在水轮机叶片设计过程中并不是主要因素.空化现象是水轮机与风力机的最大区别.空泡产生的条件如图1所示，图1中横坐标为弦线位置．由图1可知，当某一流体区域的压力绝对值大于临界空化压力值时就会形成气泡[12].一般而言，气泡分为惯性(瞬态)空泡或者非惯性空泡.惯性空泡是由一个空气泡在水中迅速破裂，产生了一个冲击波，该类型空泡通常发生在抽水机、螺旋桨和叶轮等机械结构中.非惯性空泡则是由诸如声场等外在某种型式的能量输入迫使流体产生振荡导致的.由惯性空泡的破裂所产生的冲击波可能会对水轮机结构造成破坏，因此，在水轮机叶片翼型设计中应考虑空泡的影响.空泡参数定义如式(1)所示..式中：pv为空泡压力，主要依赖于水的温度；p0为局部压力；q为动压.压力系数定义为：根据翼型表面的压力分布可以判断是否产生空泡，当pL与pv相等或者最小的负压系数Cp与空泡系数相等时就会产生空泡现象.水轮机沿展向由不同的翼型组成，靠近桨叶外侧部位，要求翼型具有较大的升力系数和升阻比以及较小的阻力系数，使得采用较小的弦长就可以达到指定的水动力载荷.从水动力学设计的角度，翼尖区域的升阻比是最为重要的参数，由于水轮机所受到的载荷较大，为了满足结构设计的要求，一般采用较厚的翼型.由于靠近翼根部位承受了极大的载荷，为了结构布置的需要，对翼型厚度有特别要求，但此时又会牺牲较大的水动性能.在不同设计要求的情况下，翼型会出现较大的不同，如何根据水轮机的要求来设计特定的翼型成为了需要深入研究的问题.1.2 遗传算法优化算法可以分为基于梯度和非梯度两类方法，基于梯度的优化方法难以得到全局最优解，并且对翼型设计可能会存在收敛速度慢等问题；诸如遗传算法的非梯度方法具有全局寻优性能，因此，本文采用遗传算法作为优化算法.遗传算法是以自然选择和遗传理论为基础，将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合的高效全局寻优搜索算法.该算法由一组初始解(初始种群)组成，每一个解采用二进制编码如式(3)所示，所有n个设计变量编码成一个二进制数并顺序排列，选择一个适应度函数，并对每一个解的适应度进行评估，淘汰适应度差的解，通过对编码后的二进制数进行变异、杂交等操作获得新解.从而形成了新的种群，重复上述过程，经过若干代的求解能够接近甚至获得全局最优解.相对于传统优化方法，遗传算法具有可行解表示广泛性、群体搜索性、随机搜索性和全局性等优点，在各类优化方法中被广泛采用[14-15].2.1 翼型参数化方法设计变量的选择对优化结果非常重要，为了能够准确描述翼型，又不过多牺牲几何信息，拟合曲线的选取至关重要，多项式样条曲线能够显著减少设计变量的个数[16].本文采用了三次样条曲线，为了尽可能扩大搜索空间，在翼型曲线上选择若干个点，采用每一个点的横坐标和纵坐标作为设计变量，通过翼型曲线上的点(xi,yi)i=1,…,k以及前缘和后缘的切线斜率(t0,t1)来拟合翼型曲线.最终翼型设计变量X如式(4)所示.X=(t0,x1,y1,x2,y2,…,xk,yk,t1)．2.2 翼型评估方法一般而言，翼型水动性能和压力分布可由计算流体力学(CFD)软件得到.对于流速较低的水动力学问题计算精度较高，但是由于翼型优化需要大量评估目标函数，计算量极大，因此该方法并不适合.XFOIL是一款由Drela开发的能够准确评估翼型气动力的数值软件，该软件基于面元法和粘性边界层等模型，与CFD计算结果接近，能够快速准确地评估翼型，是进行翼型优化设计的理想方法[17].2.3 优化模型潮流能水轮机翼型优化以升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数的函数作为目标函数，XFOIL作为评估工具，将翼型参数化之后，建立如下所示的翼型优化模型. 目标函数为：f(X)=f(CL,CL/CD,CD,Cpmax)．约束条件为:hj(X)≤0,j=1，…，m;l.式中：CL,CL/CD,CD和Cpmax分别为升力系数,升阻比,阻力系数和压力系数最大值和分别为第i个设计变量及其上下界，此处的设计变量为翼型上节点坐标等.目标函数f(X)可以是水动性能和压力系数的任意组合形式，在实际翼型设计中可以根据需要灵活选择.依赖于翼型变量的目标函数，同时满足等式和不等式约束条件，通过求解优化模型可以得到满足设计要求的翼型.对于潮流能水轮机，叶片沿展向的不同位置有不同的设计要求，靠近翼尖位置，具有较高升阻比的薄翼型是较优的选择，在一个较宽的攻角范围内，必须具有较高的升力系数和升阻比，阻力系数应当尽可能小.由于根部承受较大的载荷，为了保证桨叶具有足够的结构刚度和强度，要求根部翼型具有较大的厚度.此外，为了避免空化现象，可能需要选择较厚的翼型.为了验证本文方法，并探讨翼型特性，采用Reynold数为106，目标函数是攻角为3°情况的升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数，获得不同设计要求下的翼型，并对比各个翼型的水动性能和压力分布特性.基于本文所提出的优化模型和求解方法，对几种不同设计要求进行求解，最终得到每种情况下的翼型曲线如图2所示.由图2可知，当最小化阻力系数和最大化升力系数时，翼型曲线较为接近；当最大化升阻比时，最大厚度位于距翼型前缘35%处，最大厚度为弦长的8.8%；在最小化阻力系数情况下，最大厚度距前缘35%，最大厚度为弦长的8.3%.对于水轮机而言，由于较大的升力部分转化为垂直于水轮机平面的推力，而转化为水轮机轴向力的部分较小.不同于升力系数，阻力系数的降低能够显著提高水动性能.区别于前两种翼型，最大化升力系数和最小化最小压力系数所获得的翼型有较大的不同，在最大化升力系数情况下，翼型前部较厚，到后缘处翼型厚度减小，最大厚度位于距翼型前缘39%处，最大厚度为弦长的11.4%；而对于最小化最小负压系数，最大厚度位于距翼型前缘52%处，最大厚度为弦长的8.8%.不同设计目标函数情况下的升力系数、阻力系数和升阻比如图3-图5所示.与翼型数据结果类似，最小化阻力系数和最大化升阻比所得到的两种翼型具有非常接近的水动性能.以负压系数作为目标函数情况下，升力系数大大小于其他3种情况，阻力系数则与最小化阻力系数情况接近.尽管最大化升力系数具有较大的升力系数，但是阻力系数明显大于其他翼型的阻力系数，并且该翼型虽然在3°攻角情况下具有最大的升力系数，但是随着攻角的增加，最大化升阻比和最小化阻力系数时的翼型具有更大升力系数.因此在进行翼型设计时，不能只考虑一种攻角下的水动性能，而要进行综合考虑.4种不同翼型在3°攻角情况下的表面压力系数如图6所示.由图6可知，最小化压力系数时的压力分布最为均匀，最小值为-0.5，可见最小化压力系数可以大大改善翼型表面的压力分布，进而避免空化现象的产生.最小化阻力系数和最大化升阻比情况下的翼型，最小压力系数为-1.1，两者较为接近.最大化升力系数情况下的最小压力系数峰值最小，达到了-1.5，也越容易产生空化现象.不同攻角下的翼型表面压力系数对比如图7-图10所示．由图可知，不同攻角下的同一翼型压力系数分布规律较为一致.随着攻角的增加，最小压力系数也随着减小，而且压力分布会更加不均匀.尽管最小化压力系数情况下，翼型在3°攻角时具有最佳的压力分布特性，但是随着攻角的增加，最小压力系数急剧增加，显然对避免空化现象不利，因此，需要综合考虑多个攻角下的压力分布系数.本文针对潮流能水轮机叶片翼型，提出了一种优化设计方法.该方法采用了具有全局寻优特性的遗传算法，选取的曲线拟合方法能够准确地描述翼型曲线，通过该模型获得的翼型不仅能够提高水动力性能，还能改善翼型的空化问题.在最大化升力系数情况下，翼型具有较小的阻力系数，以压力系数为目标函数能够显著改善压力系数分布特性.为了改善水轮机性能，需要考虑多个攻角进行综合设计.通过该方法能够显著改善潮流能水轮机翼型的水动性能和压力分布特性.†通讯联系人，E-mail:***************.cn【相关文献】[1] ZHANG L, WANG S Q, SHENG Q H. The effects of surge motion of the floating platform on hydrodynamics performance of horizontal-axis tidal current turbine[J]. Renewable Energy, 2015, 74:796-802.[2] LUST E E, LUZNIK L, FLACK K A, et al. The influence of surface gravity waves on marine current turbine performance[J]. International Journal of Marine Energy， 2013, 3/4: 27-40.[3] WU B G, ZHANG X M, CHEN J M, et al. Design of high-efficient and universally applicable blades of tidal stream turbine[J]. Energy，2013, 60:187-194.[4] BATTENA W M J, BAHAJ A S, MOLLAND A F, et al. Experimentally validated numerical method for the hydrodynamic design of horizontal axis tidal turbines[J]. Ocean Engineering,2007, 34:1013-1020.[5] REZA C, MARTIN O, RALF B. Blades optimization for an ocean current horizontal axis turbine using response surface methodology[C]//OCEANS. Spain:IEEE,2011.[6] 白井艳, 杨科, 黄宸武, 等. 风力机专用翼型的反设计[J]. 工程热物理学报, 2012, 33(11):1884-1888.BAI Jing-yan,YANG Ke, HUANG Chen-wu, et al. The inverse design of wind turbineairfoil[J]. Journal of Engineering Thermophysics,2012, 33(11):1884-1888.(In Chinese) [7] 王林, 刘雄伟. 风力发电机叶片翼型气动性能分析与数值模拟[J]. 太阳能学报, 2012, 33(5): 711-716.WANG Lin, LIU Xiong-wei. Numerical simulation and analysis on aerodynamicperformance of wind turbine blade[J]. Acta Energiae Solaris Sinca, 2012, 33(5): 711-716. (In Chinese)[8] 王龙, 宋文萍, 许建华. 基于 Pareto 遗传算法的风力机翼型多点优化设计[J]. 太阳能学报, 2013,34(10):1685-1689.WANG Long,SONG Wen-ping, XU Jian-hua. Multipoint optimization wind turbine airfoils based on Pareto genetic algorithm[J]. Acta Energiae Solaris Sinca, 2013,34(10):1685-1689. (In Chinese)[9] LIGHTHILL M J. A new method of two-dimensional aerodynamic design[R].London:Aeronautical Research Council，Reports and Memoranda, 1945.[10]GRASSO F. Design and optimization of tidal turbine airfoil[J]. Journal of Aircraft, 2012, 49(2):636-643.[11]GOUNDAR J N,AHMED M R. Design of a horizontal axis tidal current turbine[J]. Applied Energy, 2013,111:161-174.[12]MOLLAND A F, BAHAJ A S, CHAPLIN J R, et al. Measurements and predictions of forces, pressures and cavitation on 2-D sections suitable for marine current turbines[J]. Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2004, 218(2):127-138.[13]AHMED M R. Blade sections for wind turbine and tidal cureent turbine applications-current status and future challenges[J]. International Journal of EnergyResearch,2012,36:829-844.[14]官凤娇,韩旭,周长江,等. 基于微型多目标遗传算法的布料机臂架结构优化[J].湖南大学学报:自然科学版,2008, 35(11):26-31.GUAN Feng-jiao,HAN Xu,ZHOU Chang-jiang,et al.Design optimization of the telescopic boom of concrete distribution machine based on micro multi-objective genetic algorithm[J]. Journal of Hunan University:Natural Sciences, 2008, 35(11):26-31. (In Chinese) [15]邓乾旺, 高礼坤, 罗正平, 等. 基于多目标遗传算法的起重机吊装路径规划[J].湖南大学学报:自然科学版, 2014, 41(1):63-69.DENG Qian-wang,GAO Li-kun,LUO Zheng-ping,et al. Lifting path planning of crane based on multi-objective genetic algorithm[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences,2014, 41(1):63-69. (In Chinese)[16]SAMAREH J A.Survey of shape parameterization techniques for high-fidelity multidisciplinary shape optimization[J]. AIAA Journal, 2001, 39(5): 877-884.[17]DRELA M. XFOIL: An analysis and design system for low Reynolds number airfoils[J]. Low Reynolds Number Aerodynamics, 1989, 54: 1-12.。
潮流能发电及潮流能发电装置
潮流能发电及潮流能发电装置戴庆忠摘要 潮流能发电是利用潮汐动能的一种发电方式。
由于潮流能发电不需要筑坝 拦水，具有对环境影响小等许多优点。
因此，近年来潮流能发电引起许多国家 重视，潮流能发电技术发展很快。
本文从分析潮流能的特点入手，介绍了国内外潮 流能发电的近况，重点介绍目前出现的各种潮流能发电装置，包括水平轴潮流能水轮 机、竖井潮流能水轮机、振荡水翼式潮流能装置等。
关键词 潮汐 潮流能 潮流能水轮机 潮流能发电1 前言1.1 潮流能的特点潮流主要是指伴随潮汐现象而产生的有规律的海水流，潮流每天两次改变其大小和方向。
而潮流能发电则是直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电。
众所周知，潮汐是海水在月球、太阳等引力作用下形成的周期性海水涨落现象。
潮汐现象伴随两种运动形态：一是涨潮和落潮引起的海水垂直升降，即通常所指的潮汐；二是海水的水平运动，即潮流。
前者(海水垂直升降)所携带的能量(潮汐能)为势能；而后者所携带的能量(潮流能)为动能。
可以说，两者是与潮汐涨落相伴共生的孪生兄弟。
对前者，可以采用类似河川水力发电的方式，筑坝蓄水发电；而对本文所介绍的潮流能，可以采用类似于海流发电方式，利用潮流的动能发电。
与常规能源比较，潮流能有以下特点：(1) 潮流能是一种可再生的清洁能源。
(2) 潮流能的能量密度较低(但远大于风能和太阳能)，但总储量较大。
(3) 与海流能不同，潮流能是一种随时间、空间而变化的能源，但其变化有规律可循， 并可提前预测预报。
(4) 潮流能发电不拦海建坝，且发电机组通常浸没在海中，对海洋生物影响较小，也不 会对环境产生三废污染，不存在常规水电建设中头疼的占用农田、移民安置等诸多问题。
(5) 与陆地电力建设相比，潮流能开发环境恶劣，一次性投资大，设备费用高，安装维 护和电力输送等都存在一系列关键技术问题。
1.2 潮流能水轮机输出功率的计算潮流能机组输出功率的计算公式为： P=ηρ23AV式中 P ——功率，Wρ——海水密度，1025kg/m 3A ——潮流水轮机转子扫掠面积，m 2V ——潮流速度，m/sη——效率从上述可以看出，潮流能机组的输出功率很大程度决定于潮流速度。
一、项目名称轴流式和贯流式水轮机性能优化的关键技术及
提出了桨叶步长递减循环搜索的自寻优调节方法研究员级高工哈尔滨大电机研究所哈尔滨大电机研究所发展了一种声振联合测试技术独创了分析声振测试数据的时频能量空间分布综合分析方法揭示了空化状态下水轮机转轮中空泡噪声的频率成分及分布特哈尔滨大电机研究所哈尔滨大电机研究所在水轮机推广应用中作为水轮机组设计的负责人负责研究阶段模型机的性能测试工程师浙江富春江水电设备有限公司浙江富春江水电设备有限公发明了一种无油润滑转桨式水轮机转轮结构与桨叶控制方法降低了转轮漏油污染环境的风教授级高工西安理工大西安理工大学揭示了轴流式水轮机导叶叶道涡和三角锲间隙涡柱状涡三者相互作用诱发机组在大流量工况下效率降低空化加剧的机理主要完成单位及创新推广贡献西安理工大学作为第一完成单位完成了本项目主要科技创新中的创新3中的全部工作以及创新2和创新点4的部分工作其中包括
声的频率成分及分布特
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贯流式水
大型轴流转桨式水轮发电机组转轮检修工艺的优化措施分析
大型轴流转桨式水轮发电机组转轮检修工艺的优化措施分析作者：魏名盛来源：《科学与财富》2018年第15期摘要：目前在国内水电事业中应用到的轴流式水轮机主要有定浆式和转浆式两类，其中转浆式水轮机的转轮叶片能够根据水头和流量的变化进行转动使水轮机能够保持较高的效率，所以应用的最为广泛，在下面文章里，我们将针对水轮机转轮的检修工艺的优化措施进行探讨分析。
关键字：轴流转浆式；转轮结构；检修工艺；优化措施随着水电事业的大力发展，我国目前的总装机容量已经处于世界第一的地位，目标在2020年达到3.8亿千瓦，有效了解决我国电力紧缺的状况。
水轮机作为水电机组中最重要的设备，其运行维护质量直接影响着整个机组的安全稳定运行，尤其是在长期持续运行情况下，其检修工作质量就显得更为重要。
轴流转浆式水轮机目前在水电机组中应用最为广泛。
在下面这篇文章里，我们主要是针对轴流转浆式水轮机转轮的检修工艺进行分析，并针对转轮漏油问题的工艺改造进行探讨。
一.轴流转浆式水轮机转轮结构轴流转浆式水轮机的叶片和导叶可随着工况的变化而变化，形成最优的协联关系，有效的提高了水轮机的的平均能源转化效率，扩大了运行范围，还能获得了稳定的运行特性，是非常值得推广的一种机型，在很多水域都有很好的应用表现，如水口电站单机20万KW、葛洲坝水电站上单机17万KW和12.5KW的机组就是轴流转浆式水轮机。
转轮作为水轮机最重要的部分，主要是由叶片和轮毂两部分组成，其叶片表面为曲面，圆柱断面为翼型，根部较厚边缘较薄，叶片的数目主要是根据水头的大小来确定，一般是4-8片，叶片的转角一般在-15—+20之间。
叶片的转动机构装在轮毂内，其动作是同调速器自动控制的，下图1位轴流转浆式水轮机结构的简图：图1 轴流转浆式水轮机结构的简图通过对图1的分析，我们可以看到其内部充满了油，利用油压来驱动叶片操作机构对叶片进行调整，从而达到最佳运转效率，为了防止漏油，密封是检修工作的重点。