[发明专利]一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种用于设计潮流能水轮机的叶片翼型设计方法，可用于各类型水轮机翼型设计。

背景技术

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，潮流能将会在未来的能源中扮演重要角色。为了利用潮流能，水轮机被采用作为主要的能量捕获装置。因此如何提高潮流能水轮机的能力捕获效率成为了影响潮流能发电推广应用的关键因素。

水翼翼型作为组成叶片外形最重要的因素之一，对潮流能水轮机的能量转化效率有重要影响。目前，已知的翼型基本上都是考虑航空航天和风力机等设计要求所获得的，关于潮流能水轮机的专用水翼翼型极少，而翼型设计方法更是少之又少。

传统的在航空航天和风力机方面的应用的翼型设计方法主要存在两大问题：一是水翼翼型有一些不同于航空航天和风力机的特定设计要求，在航空航天和风力机的翼型设计方法不能适用；二是大部分设计方法大都基于单目标，而实际的翼型设计目标是非常复杂的，需要考虑多目标才能获得合理的翼型；三是大部分设计方法是基于灵敏度分析的优化方法，难以获得全局最优解。随着我国潮流能电站项目的开展，为了开发具有自主知识产权的潮流能水轮机，必须建立完备的翼型设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出了一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：

步骤一：根据设计要求确定设计变量和目标函数，建立水翼翼型优化模型；

步骤二：确定水动力性能和压力系数的计算方法和遗传算法的适应度函数；

步骤三：生成初始种群，并拟合水翼翼型曲线；

步骤四：生成水翼翼型流体区域网格模型，计算并输出水动力性能，并输出升力、阻力和压力等信息；

步骤五：根据水动力系数和压力系数计算目标函数，依据适应度函数进行评估，判断是否收敛，收敛则结束优化，否则生成新种群，返回步骤三。

该方法综合考虑包括升力系数、阻力系数、升阻比和空化现象等在内的水轮机叶片设计的各种要求，所选用的目标函数能够根据不同的设计要求对水轮机翼型进行综合评估，选取首缘切线、尾缘切线和翼型上下曲线上控制点的横坐标和纵坐标作为设计变量，采用了三次样条曲线，具有较高的拟合精度，采用了FLUENT或者CFX计算流体力学软件或者XFOIL翼型估算软件等对水翼翼型的水动力性能和压力分布等进行计算，充分保证了计算的准确性，水翼翼型设计方法基于遗传优化算法，能够获得全局最优解。

本发明的优点在于：

1)相对于传统的水轮机设计方法，本发明综合考虑了水轮机水翼翼型设计的各个方面，能够根据不同水域和海洋环境要求获得最佳的水翼翼型曲线。

2)所提出设计方法中设计变量选择和曲线拟合方法能够准确描述真实的水翼翼型曲线，能够尽可能的扩大设计空间，

3)相对于传统优化方法，本发明所采用的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有点，能够获得全局最优解。

附图说明

图1是本发明中的潮流能水轮机翼型设计方法流程；

图2是本发明中的水翼翼型及其设计变量；

图3是本发明中的目标升力系数曲线；

图4是本发明中的水轮机水翼翼型的空化现象；

图5是本发明中实施例中不同设计水翼翼型设计对比；

图6是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的压力分布对比；

图7是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的升力系数对比；

图8是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的阻力系数对比；

图9是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的升阻比对比；

图中:

1、水翼；      2、翼型曲线；        3、翼型中心线；       4、前缘；

5、后缘；      6、控制点；          7、控制点设计域；     8、传统的升力系数曲线；

9、目标升力系数曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明所提出的潮流能水轮机水翼1翼型设计方法包括了优化模块、目标函数模块和性能计算模块。