水平軸潮流能捕獲槳葉翼型的性能分析與優(yōu)化*

朱 斌，鄭 堤*，喬 峰，陳俊華

(1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波315211;2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院機(jī)能學(xué)院，浙江寧波315100)

0 引言

潮流能的開發(fā)利用是當(dāng)前一個(gè)熱點(diǎn)前沿問題，我國潮流能資源豐富，逐步提高潮流能捕獲效率、高效利用潮流能發(fā)電，對(duì)于優(yōu)化我國的能源消耗結(jié)構(gòu)、緩解沿海地區(qū)的能源壓力具有深遠(yuǎn)意義。

槳葉是潮流能發(fā)電的關(guān)鍵部件，如將槳葉沿翼展方向分成n 個(gè)截面，每個(gè)截面都是一個(gè)葉素，而這些葉素是具有不同外形特征的二維翼型［1-3］，不同的翼型升阻力系數(shù)和導(dǎo)流性能有很大差別，對(duì)潮流能捕獲有很大影響。在水平軸潮流能槳葉的設(shè)計(jì)方面，目前普遍采用的是航空翼型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用翼型，缺少適合潮流流動(dòng)特點(diǎn)的專用翼型。

國內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)提高水平軸潮流能捕獲裝置槳葉翼型設(shè)計(jì)的研究，并得到了較好的成果。Batten W M J 等［4］曾報(bào)道利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值方法設(shè)計(jì)水平軸潮流能水輪機(jī)，提高了潮流能捕能效率;王儉超等［5-7］基于CFD 軟件針對(duì)傳統(tǒng)翼型幾何形狀進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得了不同翼型的升阻力系數(shù)，為翼型選擇提供了參考;羅先武等［8］對(duì)翼型的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，為小型潮流能葉片的設(shè)計(jì)提供了參考;余清清等［9］利用變槳距方式提高潮流能捕獲裝置在多變流速下的捕能效率。

本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算仿真分析確定翼型的修改方案，在保證翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù)未發(fā)生較大改變的前提下設(shè)計(jì)得到綜合利用壓差升力和沖擊作用力的翼型，提高槳葉整體的能量捕獲效率和自啟動(dòng)性能。

1 翼型分析

1.1 翼型周圍流場分析

現(xiàn)有的水平軸潮流能槳葉的設(shè)計(jì)基本都是基于風(fēng)力發(fā)電Glanert 設(shè)計(jì)模型，將槳葉的流場視為一個(gè)流體繞翼型流動(dòng)產(chǎn)生壓差升力的流場，忽略沖擊作用力。本研究通過分析發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量流沖擊一個(gè)大面域產(chǎn)生沖擊作用力，在葉輪直徑較小時(shí)量級(jí)與壓差升力相當(dāng)，而目前水平軸潮流能發(fā)電所用葉輪直徑受限于近海深度和漲潮落潮影響普遍在5 m 以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑，沖擊作用力不能簡單略去。

經(jīng)分析簡化后的翼型周圍的流場如圖1所示。

圖1 翼型流場

圖1 中，將翼型周圍流場分解為一個(gè)繞翼流動(dòng)產(chǎn)生的壓差升力流場和一個(gè)來流直接沖擊翼型產(chǎn)生的沖擊作用力流場。翼型前端水流以合速度V合速度繞流翼型產(chǎn)生壓差升力;翼型下方形成一個(gè)射流區(qū)，由于槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，水流的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向如V絕對(duì)速度所示，相對(duì)于槳葉的速度方向如V相對(duì)速度所示。

1.2 沖擊捕能分析

1.2.1 沖擊捕能原理

沖擊作用力的產(chǎn)生:對(duì)于宏觀低速流體，牛頓碰撞理論有較高精度。流體質(zhì)點(diǎn)流與物面碰撞時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)將失去與物面垂直的法向動(dòng)量，而保持原有的切向動(dòng)量沿物面向下流去。由于法向動(dòng)量的變化從而引起流體作用在物體上的力。

1.2.2 沖擊作用力產(chǎn)生條件

流體質(zhì)點(diǎn)沖擊物面，物面所受的作用力來源于流體速度(大小、方向)的改變，碰撞后質(zhì)點(diǎn)的速度方向逐漸與物面平行，而后質(zhì)點(diǎn)將不在對(duì)物面產(chǎn)生作用力。

現(xiàn)有的水平軸潮流能發(fā)電機(jī)械翼型采用的多是傳統(tǒng)的航空翼型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用翼型，這類翼型為得到較大的升力系數(shù)和較小的阻力系數(shù)，翼型下表面中后部位幾乎沒有彎度，且整個(gè)翼型的曲率一般都不超過6%，很難捕獲沖擊作用力。

2 優(yōu)化翼型

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

翼型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo):在保證翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù)不發(fā)生較大的改變的前提下，實(shí)現(xiàn)翼型沖擊捕能的最大化?，F(xiàn)有翼型的普遍特點(diǎn):彎度小，且主要彎曲部分集中在前部，尾部幾乎沒有彎度，不適合沖擊捕能。對(duì)于定槳距的潮流能捕獲裝置而言，啟動(dòng)時(shí)，槳葉旋轉(zhuǎn)的切向速度很小，入流攻角很大，一般情況下當(dāng)攻角大于13°時(shí)壓差升力迅速減小，阻力迅速增大，啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩大部分來源于沖擊捕能，由于現(xiàn)有翼型不適合沖擊捕能，直接導(dǎo)致自啟動(dòng)性能不佳。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

本研究通過增加尾部翼型彎度的方法增加沖擊捕能。

2.2.1 確定可以優(yōu)化的部位

本研究借助fluent 對(duì)翼型的壓力場進(jìn)行模擬，觀察翼型上、下表面壓力系數(shù)分布。為了能明顯看到翼型壓力分布的特點(diǎn)，筆者采用高速流體，具體設(shè)置參數(shù)如表1所示。

迭代200 步后收斂的壓力分布云圖和壓力系數(shù)圖如圖2所示。

表1 模擬參數(shù)

圖2 壓力分布

在圖2 中能明顯看出，翼型上表面形成一個(gè)負(fù)壓，下表面形成一個(gè)正壓，整體產(chǎn)生一個(gè)托舉力。且壓力主要集中于翼型前部，本研究對(duì)圖2(b)中壓力系數(shù)的面域進(jìn)行計(jì)算，翼型后1/5 部分只提供了不到10%的升力，可以對(duì)這部分進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 翼型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以Naca6412 翼型為原外形，優(yōu)化后外形如圖3所示。圖3 是槳距角為槳距角40°時(shí)翼型優(yōu)化的一個(gè)例舉。

圖3 翼型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)約束:

(1)為了不額外增加翼型在水中的阻力，劃了平行于弦線的上、下邊界線，優(yōu)化后翼型必須在該范圍內(nèi)。

(2)尾部增加了彎度，出流速度方向與水平線夾角不得超過90°，超過90°后水流反向流動(dòng)，既阻礙了前方水流，又大大增加了軸向載荷。

(3)彎度的變化要均勻，彎度突變會(huì)使沖擊變成撞擊，產(chǎn)生能量損失。

(4)彎度的增加，不能使流體的邊界層發(fā)生嚴(yán)重分離產(chǎn)生紊流，紊流會(huì)使阻力大大增加，且會(huì)使流體發(fā)生振動(dòng)。

圖3 中，灰色點(diǎn)為原翼型外形，翼型尾部1/5 增加了彎度，使出流速度與水平線的夾角增加36°。

從宏觀上看，流體流經(jīng)葉輪所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以看作兩個(gè)單獨(dú)的力所產(chǎn)生的力矩之和，且這兩個(gè)力都集中作用在進(jìn)口和出口處。對(duì)不可壓縮的定常流體而言，總轉(zhuǎn)矩為［10］:

其中:V2cosα2=u－v2cosβ2。

式中:u—槳葉旋轉(zhuǎn)切向速度，v2—出口處流體相對(duì)翼型速度，β2—出口處翼型下底面與旋轉(zhuǎn)平面夾角，ρ—流體密度，Q—流量，r1—入口處流體等效半徑，r2—出口處流體等效半徑，V1—進(jìn)口絕對(duì)速度，V2—出口絕對(duì)速度，α1—進(jìn)口絕對(duì)速度與旋轉(zhuǎn)方向夾角，α2—出口絕對(duì)速度與旋轉(zhuǎn)方向夾角。

翼型尾部彎度增加后，主要減小了出口處翼型下底面與旋轉(zhuǎn)平面夾角，使cosβ2增大，控制轉(zhuǎn)速即u 不變，V2cosα2則隨之減小，由式(1)知轉(zhuǎn)矩T 增大。

2.2.3 優(yōu)化后翼型的升阻力系數(shù)模擬

本研究在網(wǎng)格劃分中對(duì)翼型附近圓形區(qū)域做了加密處理。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化必須保證升力系數(shù)未發(fā)生較大的減小，阻力系數(shù)未有較大的增加。Naca6412 翼型和優(yōu)化翼型在相同雷諾數(shù)下模擬得到的升阻力系數(shù)如圖4所示。在10°攻角時(shí)達(dá)到最大升力系數(shù)，升力系數(shù)達(dá)到1.37，與原Naca6412 翼型的最大升力系數(shù)1.375 相近，阻力系數(shù)為0.192，略高于Naca6412 翼型的0.172。升阻力系數(shù)均未出現(xiàn)較大變化，符合要求。

圖4 升阻力系數(shù)

翼型彎度增加后有可能發(fā)生嚴(yán)重的邊界層分離，大大增加阻力，并發(fā)生振動(dòng)，筆者繪制的翼型上、下壁面切應(yīng)力的x 分量如圖5所示。

圖5 切應(yīng)力x 方向分布

逆向流動(dòng)可以通過壁面切應(yīng)力的x 分量是否為負(fù)值來判斷，由圖5 可見切應(yīng)力均大于零，未發(fā)生邊界層分離產(chǎn)生紊流，符合設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 槳葉設(shè)計(jì)

槳葉的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 槳葉的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本研究利用Matlab 迭代求解式(2 ～5)得槳葉弦長、扭角［11］，槳葉外形參數(shù)如圖6所示。

圖6 槳葉外形參數(shù)

槳葉UG 三維造型如圖7所示。槳葉可手動(dòng)變槳距角。

圖7 UG 三維造型

式中:a—軸向誘導(dǎo)系數(shù)，b—切向誘導(dǎo)系數(shù)，CL—升力系數(shù)，r—半徑，φ—入流角，β—扭角，l—弦長。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

潮流能發(fā)電裝置安裝于大型水槽試驗(yàn)平臺(tái)，安裝槳葉完畢后的照片如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

水槽長100 m，寬4 m，深3.5 m，平臺(tái)與鏈條連接，由伺服電機(jī)做速度控制。潮流能發(fā)電裝置由槳葉、一級(jí)鏈輪、行星增速器、200 W三相永磁同步發(fā)電機(jī)、負(fù)載控制、數(shù)據(jù)采集模塊組成。行星增速器選用速比為5∶1，電氣系統(tǒng)由整流器、逆變器、大功率電阻等組成，西門子PLC 為主控系統(tǒng)，筆者利用西門子A/D 轉(zhuǎn)換模塊將三相電量采集卡采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，借助西門子OPC 和上位機(jī)LabVIEW 編寫的監(jiān)控控制程序通信，可以在電腦上直觀顯示以及記錄運(yùn)行時(shí)的各個(gè)參數(shù)。

3.3 測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，本研究記錄捕能裝置的三相輸出電壓與電流，并轉(zhuǎn)化為功率數(shù)據(jù)記錄如圖9所示。

圖9 最大有用功率

從圖9 中看出，優(yōu)化后的槳葉(6 葉片)在平臺(tái)移動(dòng)速度達(dá)到1.2 m/s 附近時(shí)功率上升趨勢變緩，槳葉(3 葉片)在1.1 m/s 附近功率上升趨勢變緩，即壓差升力達(dá)到最大，當(dāng)大于臨界速度時(shí)，翼型開始進(jìn)入失速狀態(tài)，而沖擊作用力隨平臺(tái)速度增加而增加，整體表現(xiàn)為功率緩慢增加。將優(yōu)化后槳葉與原始槳葉對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在自啟動(dòng)性能上優(yōu)化后槳葉優(yōu)于原始槳葉;在臨界速度前兩者功率相差不大，之后發(fā)電功率逐漸拉大，可見在撞擊捕能上優(yōu)化后槳葉占優(yōu)勢。

從6 葉片與3 葉片槳葉的對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，在葉輪直徑較小的情況下，適當(dāng)增加密實(shí)度大大增加捕能效果，在超過臨界速度以后更加顯著，這也說明沖擊作用力在小葉輪中的作用很大。

4 結(jié)束語

通過理論分析、模擬仿真以及槳葉的制作與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究可以得出以下結(jié)論:

(1)槳葉轉(zhuǎn)矩是流體的繞翼型流動(dòng)產(chǎn)生的壓差升力和沖擊作用力共同作用的結(jié)果。葉輪半徑越小沖擊的影響越不能忽略。

(2)翼型的設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮壓差升力和沖擊捕能效果是有必要的。

(3)仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的翼型在升阻力系數(shù)上未發(fā)生較大變化，理論分析表明在沖擊捕能上有一定提高。

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，翼型達(dá)到設(shè)計(jì)要求，定槳距槳葉無論在自啟動(dòng)性能上，還是在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的捕能效率上都有一定提高。但限于實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備，還未對(duì)動(dòng)扭矩、推力等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

致 謝

實(shí)驗(yàn)裝備的加工是浙大寧波理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心完成的，盛剛、李賢義工程師承擔(dān)了大量加工工作，對(duì)他們謹(jǐn)致謝意。

實(shí)驗(yàn)工作是在浙大寧波理工學(xué)院機(jī)能學(xué)院海洋裝備研發(fā)中心完成的，謹(jǐn)致謝意。

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