水平轴潮流能水轮机叶片的空化特性数值模拟及优化设计

摘要

随着目前全球化石能源储备日益减少，环境污染逐渐严重，能源危机和环境问题迫在眉睫，寻找清洁可再生能源替代传统化石能源是解决问题的有效方式。全球各种研究表明，海洋潮流能作为可预测的可再生能源是一种拥有巨大潜质用于商业发电的新能源。为了有效利用潮流能，理解潮流能水轮机流体动力学特性至关重要。尽管存在许多应用于风力发电机及船用螺旋桨的技术可以借鉴用于对潮流能水轮机流体动力学特性进行分析，但仍在很多方面缺乏研究数据，对潮流能水轮机空化特性的研究目前全球仍处于起步阶段。此外，针对已有叶片的优化工作尚且缺乏，尤其针对潮流能水轮机叶片空化性能的优化研究目前仍处于空白阶段。针对潮流能水轮机叶片空化问题，本文开展了潮流能水轮机空化特性数值模拟准确性及叶片翼型空化性能优化工作，主要创新点如下： （1）针对潮流能水轮机叶片构建翼型基础，基于CFD方法对NACA63-815翼型的升力系数、阻力系数等水动力性能参数进行了数值计算，并与实验数据进行了对比，获得了较好的数值模拟精度，为水轮机叶片性能预测及叶片翼型多目标优化设计提供了基础保证。 （ 2 ）采用 SST k-ω 模型和基于标准 k-ε 模型的局部时均化模型（Partially-Averaged Navier-Stokes Model, PANS）对翼型云空化特性进行了分析，比较了两种湍流模型对云空化特性预测准确性；其次针对潮流能水轮机不同TSR工况的做功系数和轴向力系数进行了数值计算，并将翼型验证后的湍流模型应用于潮流能水轮机不同空化数下的空化特性分析，比较了两种湍流模型对空化预测准确性，分析了空泡分布规律及空化对水轮机性能的影响。 （3）针对潮流能水轮机叶片空化现象，提出了一种基于粒子群算法和XFoil同步优化的翼型多目标优化方法，基于儒可夫斯基变换及西奥道生法思想和形状函数法，将 NACA63-815 翼型实现了参数化，以此为基础建立了翼型优化物理模型。本文主要针对较大攻角下翼型表面压力系数最小值进行优化设计，为了保证翼型水动力性能，同时考虑翼型升力系数、升阻比建立了多目标优化函数，优化了NACA63-815翼型。 （4）本文优化的NACA63-815翼型在6.8°和10.8°攻角下压力系数最小值分别提升了17%和45.8%，最大升阻比提高了6.0%和61.1%。翼型空化初生性能得到改善，相同空化数下空泡体积减小，水动力性能也得到了提升，验证了本文提出优化方法的可行性，为潮流能水轮机叶片空化性能的优化奠定基础。

目录

第一个书签之前