[發明專利]一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法

有效

• 申請號: 201410729327.2
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN104408260A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 任毅如;張田田;方棋洪;文桂林;曾令斌
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市興科達知識產權代理有限公司 44260
• 代理人: 王翀;葉舟

技術領域

本發明屬于可再生能源領域，具體涉及一種用于設計潮流能水輪機的葉片翼型設計方法，可用于各類型水輪機翼型設計。

背景技術

隨著世界經濟的發展，能源消耗越來越多。由于化石能源危機以及傳統能源所帶來的環境污染和碳排放等問題，使得清潔的可再生能源日益重要。潮流能是一種非常重要的新能源，具有可靠、周期性、分布廣泛、且可持續等優點，潮流能將會在未來的能源中扮演重要角色。為了利用潮流能，水輪機被采用作為主要的能量捕獲裝置。因此如何提高潮流能水輪機的能力捕獲效率成為了影響潮流能發電推廣應用的關鍵因素。

水翼翼型作為組成葉片外形最重要的因素之一，對潮流能水輪機的能量轉化效率有重要影響。目前，已知的翼型基本上都是考慮航空航天和風力機等設計要求所獲得的，關于潮流能水輪機的專用水翼翼型極少，而翼型設計方法更是少之又少。

傳統的在航空航天和風力機方面的應用的翼型設計方法主要存在兩大問題：一是水翼翼型有一些不同于航空航天和風力機的特定設計要求，在航空航天和風力機的翼型設計方法不能適用；二是大部分設計方法大都基于單目標，而實際的翼型設計目標是非常復雜的，需要考慮多目標才能獲得合理的翼型；三是大部分設計方法是基于靈敏度分析的優化方法，難以獲得全局最優解。隨著我國潮流能電站項目的開展，為了開發具有自主知識產權的潮流能水輪機，必須建立完備的翼型設計方法。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提出了一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法。

為解決以上技術問題，本發明所采用的技術方案是：

步驟一：根據設計要求確定設計變量和目標函數，建立水翼翼型優化模型；

步驟二：確定水動力性能和壓力系數的計算方法和遺傳算法的適應度函數；

步驟三：生成初始種群，并擬合水翼翼型曲線；

步驟四：生成水翼翼型流體區域網格模型，計算并輸出水動力性能，并輸出升力、阻力和壓力等信息；

步驟五：根據水動力系數和壓力系數計算目標函數，依據適應度函數進行評估，判斷是否收斂，收斂則結束優化，否則生成新種群，返回步驟三。

該方法綜合考慮包括升力系數、阻力系數、升阻比和空化現象等在內的水輪機葉片設計的各種要求，所選用的目標函數能夠根據不同的設計要求對水輪機翼型進行綜合評估，選取首緣切線、尾緣切線和翼型上下曲線上控制點的橫坐標和縱坐標作為設計變量，采用了三次樣條曲線，具有較高的擬合精度，采用了FLUENT或者CFX計算流體力學軟件或者XFOIL翼型估算軟件等對水翼翼型的水動力性能和壓力分布等進行計算，充分保證了計算的準確性，水翼翼型設計方法基于遺傳優化算法，能夠獲得全局最優解。

本發明的優點在于：

1)相對于傳統的水輪機設計方法，本發明綜合考慮了水輪機水翼翼型設計的各個方面，能夠根據不同水域和海洋環境要求獲得最佳的水翼翼型曲線。

2)所提出設計方法中設計變量選擇和曲線擬合方法能夠準確描述真實的水翼翼型曲線，能夠盡可能的擴大設計空間，

3)相對于傳統優化方法，本發明所采用的遺傳算法具有可行解表示廣泛性、群體搜索性、隨機搜索性和全局性等有點，能夠獲得全局最優解。

附圖說明

圖1是本發明中的潮流能水輪機翼型設計方法流程；

圖2是本發明中的水翼翼型及其設計變量；

圖3是本發明中的目標升力系數曲線；

圖4是本發明中的水輪機水翼翼型的空化現象；

圖5是本發明中實施例中不同設計水翼翼型設計對比；

圖6是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的壓力分布對比；

圖7是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的升力系數對比；

圖8是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的阻力系數對比；

圖9是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的升阻比對比；

圖中:

1、水翼；??????2、翼型曲線；????????3、翼型中心線；???????4、前緣；

5、后緣；??????6、控制點；??????????7、控制點設計域；?????8、傳統的升力系數曲線；

9、目標升力系數曲線

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。

如圖1所示，本發明所提出的潮流能水輪機水翼1翼型設計方法包括了優化模塊、目標函數模塊和性能計算模塊。