基于正交實(shí)驗(yàn)的臥式浪流發(fā)電輪機(jī)葉片分析

王世明，趙 飛，田 卡

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

基于正交實(shí)驗(yàn)的臥式浪流發(fā)電輪機(jī)葉片分析

王世明，趙 飛，田 卡

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

基于現(xiàn)有波浪能和潮流能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀，為達(dá)到波浪和潮流同時(shí)利用的目的，設(shè)計(jì)了一種以臥式輪機(jī)形式同時(shí)吸收水平波浪螺旋力和潮流能動(dòng)力的新型浪流發(fā)電裝置。通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到三指標(biāo)最佳葉片參數(shù)組合后，進(jìn)行FLUENT 流場(chǎng)分析，從流體角度出發(fā)，在其扭矩、推力以及輪機(jī)功率三方面對(duì)比分析，闡明了葉片參數(shù)對(duì)于輪機(jī)流場(chǎng)的作用趨勢(shì)，并以此趨勢(shì)為參考擇出最佳模型。后期水槽實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了該臥式浪流輪機(jī)的浪流結(jié)合吸收的可行性。

波浪能；潮汐能；FLUENT；水槽實(shí)驗(yàn)；正交試驗(yàn)

Abstract：Based on the existing wave and tidal current energy generation device’s research status and in order to reach the goal of utilizing both wave and tide,a new wave flow turbine generating apparatus is designed in the form of a horizontal device,absorbing both level wave spiral force and tidal current energy.According to the orthogonal experimental design,the best three-index combination of turbine blade parameters are for FLUENT flow field analysis.By comparing different torques,thrusts,and turbine powers,this paper illuminates the blade parameters’ effects on the trend of turbine flow field,and chooses the best model.At last,the flume experiments confirm effectively that the horizontal flow turbine is feasible for absorbing wave and tidal current.

Keywords：wave power; tidal current power; FLUENT; flume experiments; orthogonal experiment

基于現(xiàn)有波浪能和潮流能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀以及波浪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，研發(fā)設(shè)計(jì)的一種以臥式輪機(jī)形式來(lái)同時(shí)吸收水平波浪螺旋力和潮流能動(dòng)力的新型浪流發(fā)電裝置，分別利用正交實(shí)驗(yàn)、Fluent分析，闡明了葉片參數(shù)對(duì)于輪機(jī)流場(chǎng)的作用趨勢(shì)，并基此擇出最佳模型，水槽實(shí)驗(yàn)也有效驗(yàn)證了該臥式浪流輪機(jī)浪流結(jié)合吸收的可行性。

1 臥式浪流葉片輪機(jī)結(jié)構(gòu)概述

臥式浪流輪機(jī)作為浪流合力吸收的核心部分，其水動(dòng)力性的好壞直接影響著整個(gè)發(fā)電裝置的效率，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析就顯得尤為重要。浪流一體化發(fā)電裝置獲能輪機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，此臥式輪機(jī)采取漂浮式的獲能方式，葉輪部分可同時(shí)獲取波浪與潮流兩種能量。

圖1 臥式輪機(jī)及葉輪結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of the horizontal turbine

圖2 臥式輪機(jī)單一葉片水動(dòng)力及受力Fig.2 Hydrodynamic performance of one blade of the turbine in different position angles

2 臥式輪機(jī)葉片動(dòng)力性分析

綜合波浪與潮流合力分析，浪流輪機(jī)在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，翼型攻角會(huì)呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，故使得葉片上的升力也從指向葉輪旋轉(zhuǎn)軸和背離旋轉(zhuǎn)軸方向來(lái)回變化，因而翼型的上下表面也會(huì)在高壓力面和低壓力面之間切換。另外，翼型的上下表面在作為高壓力面的幾率上均等，因此借鑒垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片翼型的時(shí)候多考慮采用具有對(duì)稱特性的翼型?；诤?jiǎn)便分析，特將輪機(jī)模型簡(jiǎn)化，假定流經(jīng)臥式輪機(jī)的浪流體速度模型為恒定不變，且忽略輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的誘導(dǎo)流體對(duì)輪機(jī)的影響。葉片均勻分布于輪機(jī)托盤(pán)上并具有周期性，可以從單一葉片分析輪機(jī)的水動(dòng)力性能，該輪機(jī)單獨(dú)葉片葉形及受力如圖2所示。

在圖2中，根據(jù)葉片旋轉(zhuǎn)速度矢量三角形關(guān)系，在特定位置角θ下，葉片所受弦切向速度VC，弦法向速度Vn，水動(dòng)力攻角α以及相對(duì)水流速度W的表達(dá)式：

其中：Cl為葉片升力系數(shù),Cd為阻力系數(shù)。來(lái)流V對(duì)輪機(jī)葉片產(chǎn)生升力Fl和阻力Fd，其中升力垂直于水流相對(duì)輪機(jī)葉片速度方向，而阻力則平行于水流相對(duì)輪機(jī)葉片方向。將這兩力分解到沿葉片弦線和弦法線方向上則共同組成了輪機(jī)的推力Ft和法向力Fn，在此，輪機(jī)推力貢獻(xiàn)于輪機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。

其中：Ct為推力系數(shù),Ct=C1sinα-Cdcosα；Cn為法向力系數(shù)，Cn=C1cosα+Cdsinα；ρ為海水密度；S為橫截面積(S=CH),其中C為輪機(jī)葉片弦長(zhǎng)，H為葉片展長(zhǎng)。

輪機(jī)單一葉片參數(shù)都可轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于位置角度θ的函數(shù)。則單一葉片運(yùn)轉(zhuǎn)一周所受的平均推力Fta，N個(gè)葉片所受總扭矩Q以及輪機(jī)總的輸出功率P可表達(dá)如下：

3 輪機(jī)葉片正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

臥式輪機(jī)功率系數(shù)的主要影響因素為葉片安裝半徑R、葉片數(shù)N、葉片弦長(zhǎng)C和葉片展長(zhǎng)b。因此，確定這四個(gè)葉片的參數(shù)作為正交試驗(yàn)的因素。選擇輪機(jī)翼型NACA663-018，其葉片尖速比為2.3，來(lái)流最大流速為2.0 m/s。便于計(jì)算分析，對(duì)影響因素取4個(gè)水平，各因素之間忽略交互作用，因此L16(45)最為合適[11]，故葉片正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表1所示。借助Matlab計(jì)算功能，所設(shè)計(jì)葉輪正交試驗(yàn)方案組合以及相應(yīng)葉片指標(biāo)如表2所示。

表1 輪機(jī)葉片正交試驗(yàn)因素水平匯總表Tab.1 Summary of the turbine blade’s factor levels for the orthogonal test

從上述16個(gè)樣本中，分別根據(jù)推力最大值，扭矩最大值以及功率最大值進(jìn)行極差分析，得出正交實(shí)驗(yàn)因素分別對(duì)葉片推力、扭矩以及功率的影響效率，如圖3所示。

全民學(xué)習(xí)共享平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)資源共享、技術(shù)互通的階梯平臺(tái)課程格局，確定專業(yè)群的專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課程、專業(yè)技術(shù)平臺(tái)課程、專業(yè)技能平臺(tái)課程。把相關(guān)專業(yè)的典型產(chǎn)品作為平臺(tái)課程的綜合訓(xùn)練目標(biāo)，要根據(jù)平臺(tái)學(xué)員的認(rèn)知特點(diǎn)，由單一技能到復(fù)合技能呈金字塔式逐步進(jìn)行訓(xùn)練。單一技能是基礎(chǔ)，覆蓋專業(yè)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，需要適當(dāng)選取實(shí)用性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的知識(shí)模塊進(jìn)行訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)者職業(yè)能力培養(yǎng)和提升打好堅(jiān)實(shí)的根基。復(fù)合技能要在單一技能上有所提高，需要兩個(gè)或多個(gè)技術(shù)知識(shí)交叉使用，著重職業(yè)能力的多元化發(fā)展，把握所學(xué)知識(shí)的整體架構(gòu)，運(yùn)用專業(yè)方法解決企業(yè)生產(chǎn)中的各種實(shí)際問(wèn)題。

圖3 因素指標(biāo)主次分析簡(jiǎn)圖Fig.3 Primary & secondary analysis diagram for factor and index

葉片展長(zhǎng)和弦長(zhǎng)是從理論上影響獲能系數(shù)的關(guān)鍵，因此從最大功率出發(fā)，其最優(yōu)組合為b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=5。同理最大扭矩具有最優(yōu)組合：b=1.4，C=0.14，R=0.62，N=5。最大推力具有最優(yōu)組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=3。

表2 輪機(jī)正交試驗(yàn)的方案組合以及指標(biāo)結(jié)果Tab.2 Portfolio & the index results for the orthogonal experimental design

4 基于FLUENT葉片流場(chǎng)分析

輪機(jī)葉片是其捕獲能量的關(guān)鍵，其性能決定性地影響整個(gè)輪機(jī)裝置的性能。根據(jù)前述正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論結(jié)果，對(duì)三大指標(biāo)輪機(jī)模型的流場(chǎng)進(jìn)行分析，為后期優(yōu)化輪機(jī)的水槽實(shí)驗(yàn)提供理論支持。

4.1邊界條件確定

輪機(jī)葉片采用的NACA663-018翼型是流線型結(jié)構(gòu)，為了降低計(jì)算空間，可將浪流輪機(jī)簡(jiǎn)化為二維斷面結(jié)構(gòu)，在GAMBIT中建立流場(chǎng)計(jì)算域，如圖4所示。將計(jì)算流域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域，利用移動(dòng)網(wǎng)格模擬輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格劃分，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格劃分。設(shè)置進(jìn)口邊界為速度入口，來(lái)流方向?yàn)閄軸方向，并設(shè)置為2 m/s;出口邊界為壓力出口，設(shè)置1個(gè)大氣壓值；在模型靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域交界處，設(shè)置為滑移邊界，并建立一個(gè)交界面，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域之間的數(shù)據(jù)交流；計(jì)算域上下邊界外側(cè)的水環(huán)境，設(shè)置為對(duì)稱邊界。選用基于壓力的分離式求解器，并采用適合旋轉(zhuǎn)體仿真的兩方程湍流模型。

圖4 二維輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算域Fig.4 Fluid computing area for 2D turbine

4.2葉片輪機(jī)fluent仿真結(jié)果

1) 葉片扭矩分析

在上述模型仿真中，經(jīng)尖速比公式得三模型輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)數(shù)為135、70和135 r/min，借助FLUENT得三種模型監(jiān)控的扭矩系數(shù)圖形，通過(guò)扭矩系數(shù)與扭矩之間的轉(zhuǎn)換公式，整理得到三種模型輪機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的扭矩變化規(guī)律，見(jiàn)圖5。

圖5 三模型輪機(jī)扭矩監(jiān)控圖及分析圖表Fig.5 Torque analysis charts for 3 model turbines

基于分析圖的數(shù)據(jù)分析，在一個(gè)周期內(nèi)，三模型的扭矩隨著輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)都呈現(xiàn)周期性變化。對(duì)于具有5葉片的模型1和模型2，扭矩變化趨勢(shì)幾乎一致，一個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)5波峰，5波谷；而具有3葉片的模型3在一周期內(nèi)波峰與波谷都是3個(gè)。從圖中還可看出，模型1和模型2比模型3有更大的扭矩，模型1和模型2的扭矩最值位置基本相同，扭矩最大差值也幾乎相同，但模型2比模型1的扭矩值普遍偏高，具有更好的扭矩效果。

2) 葉片推力分析

將葉片所受的推力分別分為X(1,0)，Y(0,1)兩個(gè)方向的分力進(jìn)行分析，F(xiàn)LUENT得到的X與Y方向的分力如圖6所示。

圖6 FLUENT仿真下輪機(jī)模型葉片推力分解Fig.6 Thrust charts for the blade by FLUENT

從圖中可看出三模型輪機(jī)在X方向的力與所設(shè)置的來(lái)流方向的力相同，在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)呈現(xiàn)類正弦變化；而在Y方向的力與來(lái)流方向垂直，其值為負(fù)，這說(shuō)明，水流對(duì)葉片在平面Y上的阻力是向下的；然而,對(duì)于同一模型輪機(jī)而言，其X方向上的阻力普遍大于Y方向上阻力，并相差3～4倍差距，這表明在水輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所受的主要推力集中體現(xiàn)在X方向。

3) 葉片功率分析

設(shè)定模型工況速比在1～4范圍內(nèi)變化，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)繪制三模型功率和獲能特性系數(shù)的變化曲線圖，其變化規(guī)律如圖7所示。圖中出現(xiàn)σ=0.88/1.47/1.76表示的是不同密實(shí)度，對(duì)應(yīng)輪機(jī)葉片數(shù)量為3/5/6[12]。從圖中可以看出，在不同速比工況下，三模型輪機(jī)獲能系數(shù)Cp和其產(chǎn)生功率P具有相同發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于模型1組合輪機(jī)而言，在TSR=2.5時(shí)，Cp取得最大值0.28。而對(duì)于模型2和模型3輪機(jī)而言，其最大Cp分別為0.18和0.22，且后兩者取最值的TSR點(diǎn)都較模型1前移，分別為2和2.4。這說(shuō)明對(duì)于此種臥式輪機(jī)而言，葉片稀疏輪機(jī)更易達(dá)到輪機(jī)獲能最值，但這樣也使水流能因葉片之間較大間隙而耗散，最終降低輪機(jī)獲能性能；同樣，密實(shí)輪機(jī)因葉片之間更為強(qiáng)烈的湍流涌動(dòng)，阻礙輪機(jī)的獲能表現(xiàn)。在此，模型1輪機(jī)樣機(jī)在獲能特性和發(fā)電功率上表現(xiàn)更優(yōu)。

通過(guò)對(duì)輪機(jī)功率、扭矩和推力的仿真數(shù)據(jù)分析，得出模型1具有最大功率特性，且具有較大的扭矩，變化平緩，能夠滿足最大功率以及輪機(jī)生命周期，具有優(yōu)秀的捕獲性能，因此選用模型1做水槽實(shí)驗(yàn)。

5 水槽實(shí)驗(yàn)

基于前述葉片輪機(jī)的模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用鋁合金葉片、模型1輪機(jī)參數(shù)以及葉片安裝角度定位正向偏10°的心輪機(jī)作為本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其安裝原理如圖8所示。浪流葉片輪機(jī)水槽實(shí)驗(yàn)選擇在國(guó)家海洋局東海計(jì)量中心水池實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室具備造波和制流功能，可通過(guò)波高儀和流速儀，對(duì)流經(jīng)輪機(jī)附近流速波浪進(jìn)行工況測(cè)量,具體工況參數(shù)如表3所示。

圖8 浪流葉片輪機(jī)水槽實(shí)驗(yàn)原理Fig.8 Tank experiments schematics of the wave-tide turbine

表3 浪流工況實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Wave-tide working condition programs of the sink test

圖8中，基于JN 338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、JN 338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速配套測(cè)量?jī)x以及計(jì)算機(jī)構(gòu)成了浪流耦合輪機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的測(cè)量線路。經(jīng)5腳的航空插座與其配套JN 338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化參數(shù)顯示。圖9為裝置水槽實(shí)驗(yàn)安裝方式配套測(cè)量裝置。

圖9 浪輪發(fā)電裝置水槽實(shí)驗(yàn)安裝方式Fig.9 Installation of wave turbine sinking experiment

基于實(shí)驗(yàn)安裝測(cè)量方式，本系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩方程表示為：M輪機(jī)=Μ測(cè)+Mf(5.1)。

對(duì)浪輪機(jī)浪流集成特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種波況和四種流況進(jìn)行集成分析。提取整理數(shù)據(jù)可繪制圖10。在波高0.3 m,流速2 m/s下，浪輪機(jī)可獲得集成功率459 W，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為140 r/min,轉(zhuǎn)矩42.5 N·m,獲能效率為21.2%,比同流況下輪機(jī)吸收功率增加23W,效率提高1個(gè)百分點(diǎn)；同樣在波況0.3 m/s,流速1.5 m/s下，輪機(jī)吸收集成功率181 W，獲能效率達(dá)17.8%，比同流況輪機(jī)效率增加13 W,總效率提高1個(gè)百分點(diǎn)。相對(duì)流況提高的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在對(duì)應(yīng)波況下輪機(jī)可吸收的功率。然而對(duì)于波高0.2 m下，浪輪機(jī)吸收功率曲線與波高0.3 m相差不大。此實(shí)驗(yàn)證明，浪潮結(jié)合下，可大大提高輪機(jī)的吸收功率，增加了浪流集成吸收的可行性。

圖10 浪流結(jié)合浪輪機(jī)功率轉(zhuǎn)速曲線Fig.10 Curves of the power and torque of the turbine

6 結(jié) 語(yǔ)

基于現(xiàn)有波浪能和潮流能發(fā)電裝置研究現(xiàn)狀以及波浪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一種臥式輪機(jī)形式同時(shí)吸收水平波浪螺旋力和潮流能動(dòng)力的新型浪流發(fā)電裝置，并對(duì)裝置葉片部分進(jìn)行基于正交分解的實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)分析，主要得出以下結(jié)論：

1) 針對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析不同輪機(jī)參數(shù)對(duì)輪機(jī)推力、功率、扭矩的影響，得出最大功率模型的參數(shù)最優(yōu)組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=5；最大扭矩模型參數(shù)最優(yōu)組合：b=1.4，C=0.14，R=0.62，N=5；最大推力模型參數(shù)最優(yōu)組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=3；

2) 針對(duì)三種模型，基于FLUENT 流場(chǎng)分析，得出最佳功率模型在輪機(jī)扭矩、推力以及輪機(jī)功率方面具有更好的綜合效果；

3) 最后，通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了最大功率臥式浪流輪機(jī)，在浪流結(jié)合下，可大大提高輪機(jī)的吸收功率。

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Horizontal wave flow turbine blade optimization analysis based on the theory of orthogonal design

WANG Shiming,ZHAO Fei,TIAN Ka

(Engineering College，Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

P743.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.013

趙飛。E-mail：lgzhaofei@163.com

1005-9865(2016)05-0117-08

文章編號(hào)：1005-9865(2016)05-0109-08

2016-01-04

國(guó)家海洋局2013年海洋可再生能源專項(xiàng)資助項(xiàng)目(SHME2013JS01)；上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃資助項(xiàng)目(14XD1424300)；上海市科技成果轉(zhuǎn)化促進(jìn)會(huì)助推計(jì)劃資助項(xiàng)目(NY1301HY)；上海教委產(chǎn)學(xué)研資助項(xiàng)目(15cxy29)

王世明(1964-)，男，山西忻州人，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事海洋可再生能源以及裝備智能控制技術(shù)研究。E-mail：smwang@shou.edu.cn.