水平軸潮流輪機葉片優(yōu)化及數(shù)值模擬研究.pdf

1、通過在將潮流中的動能轉(zhuǎn)化成葉片的旋轉(zhuǎn)動量以此來驅(qū)動電機的發(fā)電設(shè)備稱為潮流輪機，與傳統(tǒng)的堤壩式潮汐電站相比，潮流輪機的發(fā)電成本更低。近年來，由于溫室效應日益嚴峻，節(jié)碳減排放成為可再生能源關(guān)注的重點，與風能相比，潮流能能量密度更大，可預測性更強，因而稱為世界科研的新熱點。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)計研發(fā)新的潮流輪機適用的新的翼型族，保證翼型在工作時能滿足潮流輪機對動力學特性的要求，同時開發(fā)新的潮流輪機葉片提

2、升潮流輪機的能量利用效率。另一方面需要建立起合理且有效的潮流輪機特性預測方法，提升設(shè)計水平，以此來設(shè)計出高效運行的潮流輪機機組。因此，開發(fā)新的潮流輪機適用翼型，改善翼型的動力學特性為潮流輪機翼型設(shè)計提供優(yōu)秀的翼型族是設(shè)計高效潮流輪機機組的基礎(chǔ)。要設(shè)計優(yōu)秀的葉片氣動外形，必須對現(xiàn)有的預測模型進行論證以及改善，提升其預測精度。
　　本文以NACA63-8XX系列翼型潮流輪機為研究對象對其基礎(chǔ)翼型，氣動外形工作特性預測方法進行了研究，其

3、具體內(nèi)容如下：
　　本文采用了翼型動力學預測軟件XFoil并驗證了其預測結(jié)果的精度，結(jié)合MATLAB平臺，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，并驗證了參數(shù)化翼型的幾何收斂以及氣動收斂特性。通過界定翼型參數(shù)的優(yōu)化范圍，采用粒子群算法，以翼型的動力學特性為優(yōu)化函數(shù)，采用多目標權(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力學參數(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，驗證了翼型動力學特性優(yōu)化結(jié)果。
　　基于葉素動量定理方法（BEM），采用翼型動力學預測軟件XFoil軟件提供實時的翼型動力學參數(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)的迭代過程，引入了描述翼型局部雷諾效應的雷諾數(shù)算法，得到了雷諾數(shù)修正的葉素動量定理模型，比較了其計算精度與未考慮雷諾數(shù)算法的潮流輪機商業(yè)軟件的計算結(jié)果，表明雷諾數(shù)修正的潮流輪機預測模型的準確性以及預測精度均有所提升。且在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，雷諾

5、數(shù)修正的葉素動量定理模型的預測誤差由原來的50％降低到7%。
　　采用優(yōu)化的翼型族對潮流輪機的葉片氣動幾何特性進行了改善，基于XFoil以及修正的雷諾數(shù)BEM模型，對潮流輪機在不同的葉尖速度比（TSR）下的能量利用系數(shù)進行優(yōu)化，得到了優(yōu)化潮流輪機的氣動幾何特征。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)潮流輪機的性能與原潮流輪機相比，除TSR=6時，性能些許下降外，其余工況下，潮流輪機的特性均有提升，最大能量系數(shù)提