S型潮流能发电装置叶轮设计及性能研究_兰雅梅.pdf

第45卷 第02期 2023-02【189】收稿日期：2021-04-12基金项目：国家自然科学基金资助项目（41976194）；上海市工程技术研究中心建设计划（19DZ2254800）作者简介：兰雅梅（1976-），女，山西运城人，副教授，博士，研究方向为海洋能装置水动性能。S型潮流能发电装置叶轮设计及性能研究Design and performance research of impeller of S-type tidal current power generation device兰雅梅1,2*，刘 刚1，王世明1，宋秋红1LAN Ya-mei1,2*，LIU Gang1，WANG Shi-ming1，SONG Qiu-hong1（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306;2.上海海洋可再生能源工程技术研究中心，上海 201306）摘 要：为了提高潮流能的能量利用率，设计了一种能够迎合双向来流且获能系数高的叶轮。首先，通过Ansys中的Fluent模块对两种基本翼型进行水动力特性的研究，选择性能更佳的翼型设计出S型可逆翼型，再对叶轮进行数值模拟，检验S型可逆翼型是否能提高潮流能的能源利用率。结果表明：非对称带有弯度的翼型有更好的升力系数，并且反向对接时，所设计的S型可逆翼型结构更平坦的性能更佳；所设计的叶轮在不同流速下的数值模拟，分析不同工况下的水动力特性，表明S型可逆翼型能量利用率明显提高，可有效地应用于潮流能发电装置叶轮的设计。关键词：潮流能；S型可逆翼型；非对称；水动力仿真中图分类号：TK742;P75 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0189-040 引言关于S型潮流能发电装置叶轮设计，国内外研究主要集中在叶片的构造上。Gray Abhishek等人1对NACA、NREL和Selig系列低速翼型设计进行了比较研究，并对新型特殊翼型进行了设计；Devi Supriya等人2提出了的翼型高阶网格划分方法，有利于任何对称翼型的优化；Laurence W.Cook等人3利用多重优势关系对翼型进行优化设计；Xingxing Li等人4通过实验方法学和多元回归模型的数值设计对翼型设计空间进行参数化探索；王海民等人5,6针对双向通风机的工程应用，基于Clark Y标准翼型采用尾部反接法设计了四种S型非对称翼型；张佳伟等人7研究了翼型厚度对气动性能的影响；胡浩德等人8采用求解维纳斯托克斯方程的数值方法研究了翼型NACA4412近距离经过波浪水面的气动特性。上述针对翼型的研究，大多数集中在风力机，有关S型可逆翼型应用于潮流能发电装置的叶轮设计，目前研究较少。基于海流能的特点和利用方式，开发可以满足正反向工况的叶轮可谓势在必行。1 基本翼型的选择1.1 数值模拟计算本文选择对NACA翼型系列中的NACA4412和NACA0012进行研究。这两者翼型有明显的几何参数差异，前者是一种带有弯度和中等厚度的翼型，而后者具有上下对称的结构，不存在弯度。采用ANSYS软件中Fluent数值仿真模块，分别对上述两种基本翼型进行水动力特性研究。1.1.1 计算域的确定及网格划分设置计算域入口处半径为10c，远场与翼型尾缘距离为20c。本文采用NACA翼型生成软件获取翼型坐标后导入Gambit软件，对其划分结构化网格，如图1所示。图1 二维翼型绕流网格图1.1.2 设置计算条件并求解计算入口设定为速度入口；设置入口流速为2m/s；出口定义为压力出口；翼型的上下表面和计算域的上下边界都设定为无滑移壁面。采用基于压力的分离式求解器及Simple算法；湍流模型选用标准的k-epsilon。1.2 计算结果分析1.2.1 升力系数分析对比如图2所示，NACA4412翼型的升力系数明显大于NACA0012翼型。并且当攻角为0时，由于NACA4412翼型具有上下不对称带有弯度的几何结构，所以升力系数依然为正，而这时NACA0012翼型理论上升力系数为0。这说明翼型的弯度对升力系数有重要影响，具有弯度的几何结构相比【190】第45卷 第02期 2023-02于上下对称的结构，能产生更大的升力系数。图2 NACA4412和NACA0012的升力系数1.2.2 速度云图的分析对比如图3(a)和图4(a)所示，在攻角为0时，NACA0012翼型由于不具有弯度，所以上下表面速度几乎一样，则不会产生升力。然而，具有弯度的NACA4412翼型，上表面的速度明显要大于下表面，则会产生升力。由图3(b)和图4(b)所示，当攻角增大至12时，从云图中可以清楚地看到，两种翼型的最大速度点都朝着翼型的前缘点移动的情况，在上表面尾缘处还出现了明显的尾迹现象。(a)攻角为0 (b)攻角为12图3 NACA4412的速度云图 (a)攻角为0 (b)攻角为12图4 NACA0012的速度云图1.2.3 压力云图的分析对比如图5(a)和图6(a)所示，在攻角为0时，NACA4412翼型呈现下方正压、上方负压，产生升力；NACA0012上下表面都呈现负压的状态，并且上下表面压力对称。如图5(b)和图6(b)所示，当攻角为12时，NACA00121和NACA4412类似，呈现出下方高压，上方低压的情况，形成向上的合力，但NACA4412翼型的前大部分区域具有更大的吸力和推力。(a)攻角为0 (b)攻角为12图5 NACA4412翼型在不同攻角下的压力云图 (a)攻角为0 (b)攻角为12图6 NACA0012翼型在不同攻角下的压力云图从升力系数、速度云图和压力云图三方面分析对比，明显看出，带有弯度的翼型，上下表面速度差异更大、压力差更大，所以能产生更大的升力系数。因此本文选择以NACA4412为原始翼型。2 S型可逆翼型的构造2.1 设计可逆翼型将原始翼型NACA4412记为N，分别截取翼型前缘对的30%和40%，将它旋转180以后，反向对接形成S型可逆翼型，如图7所示，分别记做N1和N2。图7 经变换后的S型可逆翼型2.2 翼型水动力性能分析2.2.1 升力系数计算得出翼型的升力系数，将其绘制成坐标图，以便更直观将三种翼型进行对比。如图8所示，可逆翼型N1和N2的升力系数相比于原始翼型N都有明显下降。在两种S型可逆翼型中，升力系数是N1大于N2。N1截取了原始翼型前缘对的30%，其几何表面与N2相比更为平坦。图8 N系列翼型的升力系数2.2.2 速度云图如图9(a)和图10(a)所示，在攻角为-4时，翼型上表面弯曲段明显的区域内速度比较大，之后的变化很平稳，但在尾部又出现速度变大的情况。翼型下表面和上表面呈现出了相反的状况。翼型前缘的高速区域范围都不大，经过一段平稳的区域后，又出现了速度大幅度增大的第45卷 第02期 2023-02【191】情况。通过与原始翼型的速度云图比较发现，在翼型的尾缘处，它们的涡旋有很大的区别。可逆翼型在三种不同的攻角下，尾缘处的涡旋都很明显。然而，只有在攻角稍大的条件下，普通的原始翼型才会出现明显的涡旋。如图9(b)和图10(b)所示，在攻角为4时，翼型上表面前缘的最大速度区域扩大，速度的最大值也增大，但上表面尾部的速度降低，高速度区域已经接近消失。翼型下表面与上表面相反，前缘的高速度区域几乎消失，速度的最大值减少，但下表面尾部的速度增加。如图9(c)和图10(c)所示，当攻角到12的时，翼型上表面的高速度区域明显扩大。并且可以观察到，翼型前半部分最大相对厚度之后的区域，表现出了十分明显的流动分离现象，并且引起涡旋的大幅增加。由于N2翼型截取了翼型前缘的40%反向对接，所以中间连接部分弯曲度较大，因此N2翼型表面的变化更加剧烈，也就比N1翼型更加容易发生分离现象。由图10(b)发现，在攻角为-4时，N2翼型的中间连接部分就开始出现比较明显的流动分离现象。当流体流过中间曲线对接部分的时候，有一部分留在翼型表面，最终在尾缘处形成涡旋。所以，翼型中间曲线对接部分的流动分离现象对尾缘也具有一定的影响。(a)攻角-4 (b)攻角4 (c)攻角12图9 N1翼型在不同攻角下的速度云图 (a)攻角-4 (b)攻角4 (c)攻角12图10 N2翼型在不同攻角下的速度云图2.2.3 压力云图如图12所示，在攻角为-4时，N1翼型上表面靠近前缘以及下表面接近尾缘的区域都呈现出负压。将攻角增大到4时，上表面负压的区域随着攻角增大，逐渐向前缘靠近。当攻角增大至12时，上表面出现负压的区域已经大约占整个翼型上表面的三分之一，前缘部分至最大相对厚度区域都是负压，而翼型下表面前半部分的压力值大幅增大。所以，在攻角为12时，可以形成更大的升力。对比N1和N2,在-4攻角下，N1上表面的负压区域更为明显。攻角为12时，两种翼型的负压区域都覆盖了上表面前缘部分，但N2的覆盖范围更广。另外，N2在不同攻角下都有十分明显的高压区，包含的区域也比N1更加广泛。然而，N1翼型的上下表面压力差更显著，所以升力系数更大，有更好的水力特性。(a)攻角-4 (b)攻角4 (c)攻角12图11 N1翼型不同攻角下的压力云图 (a)攻角-4 (b)攻角4 (c)攻角12图12 N2翼型不同攻角下的压力云图3 基于S型翼型叶轮的数值模型3.1 几何模型叶轮的参数设置如表1所示。表1 叶轮的参数参数数值额定流速V/（m/s）2额定功率P/W40叶片数量B8尖速比03叶轮直径D/mm200轮毂直径d/mm100翼型的弦长/mm71叶片安装角/（）38 3.2 网格的划分考虑到叶轮叶片是转动曲面实体，为了正确地进行网格划分，并使Fluent有效与准确地计算。使用Gambit中Turbo工具对流域进行建模，取z轴作为该叶轮的旋转轴，流域内采用非结构化Hex六面体网格，Map类型和间距尺寸为3，采取H区域法对流域进行非结构化网格划分。4 叶轮水动力结果分析4.1 表面压力根据海流在涨潮时速度变快，退潮时速度减慢，以及速度流向随时发生改变的特点。本文将水流速度设置为1m/s、1.5m/s、2m/s和2.5m/s，并且改变速度入口的方向，分别进行仿真模拟计算。如图13所示，由N1翼型设计而成的叶轮表面压力云图中，随着入口流速的不断变快，叶片表面的压力值也越来越大，最大的压力面主要分布于在叶片的上半【192】第45卷 第02期 2023-02段，而后半段的压力变化都较小。(a)水流速度0.5m/s (b)水流速度1m/s (c)水流速度1.5m/s (d)水流速度2m/s图13 N1翼型设计而成的叶轮表面的压力云图4.2 流线如图14所示，N1叶轮流体流过叶片，流体运动受叶片形状影响，流体流线呈曲线型。流体流线在两叶片之间较为规则，规则的流体流动可使叶轮稳定地运行。在不同的速度工况下，从Fluent求解器中导出叶片表面压力数据文件，取正反向叶轮表面最大和最小的压力进行对比。分析对比结果制作成坐标图，如图15所示，可以看到反向工况下表面压力的最大值和最小值都略小于正向工况下的表面压力值，但总体的趋势表现较为一致。因此，设计的叶轮具有双向迎流的能力。图14 N1叶轮的流体流线图图15 N1叶轮正反向表面压力4.3 能量利用系数在水流速度为2m/s和2.5m/s的条件下，对N和N1翼型设计而成的叶轮进行正反向数值模拟，对相应的叶轮能量利用系数进行对比分析。如表2所示，由于原始翼型N的升力系数更大，在正向工况下，原始翼型N的能量利用系数比可逆翼型N1高大约3个百分点。如表3所示，N翼型的能量利用系数在反向工况下下降明显，N1翼型的能量利用系数比N翼型高了将近7个百分点。所以，根据海流正反流动的特点，可逆翼型的总能量利用系数相比于原始翼型更高，提高了海流能的能源利用率。表2 正向工况下的能量利用系数NN1v=2m/s0.30380.2712v=2.5m/s0.30430.2718 表3 反向工况下的能量利用系数NN1v=2m/s0.20630.2712v=2.5m/s0.20610.2718 5 结语1）利用原始翼型NACA4412设计了两种几何表面平坦度不同的S型可逆翼型N1和N2，通过数值模