[發明專利]潮流能水輪機葉片層流翼型設計方法

在審

• 申請號: 201810262929.X
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108518295A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 袁鵬;陳超;司先才;譚俊哲;王樹杰;徐孝輝
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: F03B3/12
• 分類號: F03B3/12
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 劉曉

本發明提供一種潮流能水輪機葉片層流翼型設計方法，采用貝塞爾函數對翼型葉片進行參數化建模，將翼型葉片的上下翼面分別用一個三階貝塞爾曲線來表示，并且上翼面和下翼面首尾兩端點重合，然后將首尾兩端點通過曲線平滑連接得到翼型的幾何形狀。實現翼型表面保持大范圍內的層流，減小翼型表面所受到的阻力，提高潮流能水輪機葉片翼型的升阻比，優化葉片的結構以滿足潮流能發電的要求，提高水輪機的獲能效率。

技術領域

本發明涉及潮流能水輪機葉片技術領域，尤其涉及一種潮流能水輪機葉片層流翼型設計方法。

背景技術

潮流能作為海洋能的一種，是指海水流動所具有的動能，其具有其他可再生能源所無法比擬的優勢，開發海洋潮流能對于解決能源和環境問題具有非常重要的意義。目前，國內外對潮流能水輪機葉片通常采用翼型結構，而翼型結構的葉片通常借鑒航空技術中翼型葉片的設計方法進行研究。但是，在實際使用過程中，由于潮流能水輪機葉片的工作介質為水，水和空氣的特性有較大的差別，潮流能水輪機葉片運行速度相對較低，屬于低速運動，由于邊界層內的粘性作用帶來的剪切力作用使得翼型前緣處于層流狀態，在距離前緣的某一位置流動分離，邊界層出現轉捩，逐漸發展為湍流，邊界層內層流的摩擦阻力要比湍流的摩擦阻力小得多。層流翼型是一種為使翼表面保持大范圍的層流，以減小阻力而設計的翼型。與普通翼型相比，層流翼型的最大厚度位置更靠后緣，前緣半徑較小，上表面比較平坦，能使翼表面盡可能保持層流流動，從而可減少摩擦阻力。層流翼型基本原理是在水流達到接近水輪機翼型后緣升壓區之前，盡可能在更長的距離上繼續加速，就可以推遲由層流向湍流的轉捩。因此，如何提高葉片處于層流狀態面積，設計出水輪機所需要的層流翼型以提高潮流能水輪機運行效率是本發明所要解決的技術問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種潮流能水輪機葉片層流翼型設計方法，使翼型表面保持大范圍內的層流，減小翼型表面所受到的阻力，提高潮流能水輪機葉片翼型的升阻比，優化葉片的結構以滿足潮流能發電的要求，提高水輪機的獲能效率。

本發明提供的技術方案是，潮流能水輪機葉片層流翼型設計方法，采用貝塞爾函數對翼型葉片進行參數化建模，將翼型葉片的上下翼面分別用一個三階貝塞爾曲線來表示，并且上翼面和下翼面首尾兩端點重合，然后將首尾兩端點通過曲線平滑連接得到翼型的幾何形狀。

進一步的，上述貝塞爾函數定義為：給定n+1個空間向量P_i∈R³(i＝0,1，……，n)，R³為三維向量空間，n次貝塞爾曲線函數的表達式為：

其中，0≤t≤1；Pi為控制點；

B(t)為n次Bernstein基函數，其表達式為：

三階貝塞爾函數的擬合插值公式為：

P(t)＝P₀(1-t)³+3P₁t(1-t)²+3P₂t²(1-t)+P₃；

所述翼型葉片的上下翼面輪廓線的坐標用矩陣的形式來表示：

其中，P(t)為階貝塞爾函數的擬合插值公式，t為自變量，P₀、P₁、P₂、P₃為控制點；

所述將首尾兩端點通過曲線平滑連接得到翼型的幾何形狀，具體為：分別選取上下翼面各兩個移動的控制點，使葉片翼型的上下翼面首尾兩端點之間光滑連續相連。

進一步的，采用遺傳優化算法來尋找約束條件下的最優翼型，其具體步驟如下：步驟1、確定設計變量、目標函數和約束條件；