基于BEM-CFD模型的水平轴潮流能发电装置叶轮优化研究

摘要

潮流能是可再生能源的一个重要组成部分，潮流能水轮机凭借其低成本和低生态影响以及广泛的适应性和推广性，已经逐渐成为海洋能领域的研究热点。在中国，潮流能水轮机的技术发展仍处于起步阶段，发电效率仍有待提高，而提高水平轴潮流能水轮机工作效率的重点是提高叶轮部分的能量转换效率。基于此，本文在水平轴潮流能水轮机性能研究和叶片设计的基础上，开发出一种叶片优化模型，实现了对于叶片几何形状的高效自动优化，节约了设计成本，对水平轴潮流能叶轮设计研究具有重要意义。
　　本文首先基于传统叶素动量理论(Blade Element Momentum Theory,BEMT)，在MATLAB软件平台上编写BEM计算程序，计算目标叶轮受到的轴向力和切向力，进而计算叶轮的功率系数和推力系数。计算所需的叶轮翼型升阻力系数，由CFD方法计算得到。同时，在该模型中引入雷诺数、叶片厚度等的影响，加入叶尖损失修正系数和高轴向诱导因子修正系数。然后，基于传统BEM计算方法，通过力源项耦合CFD计算，搭建BEM-CFD计算模型。在该模型中，叶轮简化为致动盘模型，其叶片特性由BEM算法计算得到的单位轴向力和单位切向力表达，并输入CFD模型中进行外围流场仿真。通过与实验数据的对比显示，该模型能更好地模拟非均匀入流、自由液面波动效应及潮流能机组支撑装置等对水轮机性能特性的影响。
　　接着，在ISIGHT平台搭建基于BEM-CFD模型的水平轴潮流能发电装置叶轮优化模型。以水轮机叶片的节距角分布和弦长分布为优化变量，选取功率系数和推力系数等作为优化目标，引入贝塞尔曲线参数化技术和响应面模型，实现优化过程的自动化和高效化。采用该优化模型，基于本文目标水轮机的最优工况点，优化叶轮的能量捕获效率提高了0.96％，同时轴向水推力系数降低了2.36％。
　　最后对于目标水轮机叶轮多工况点进行优化设计，选取最优工况点附近三个工况下功率系数的平均值和方差值作为目标函数进行优化，优化后的叶轮在尖速比为4、6、8工况下功率系数分别从0.2674、0.4255、0.4385上升至0.3261、0.4612、0.4514，优化叶轮的加权平均功率系数由0.3892上升至0.4050，方差值由0.0061下降至0.0033，优化结果良好。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外潮流能水轮机发展现状

1．3 水平轴潮流能水轮机设计及优化研究现状

1．4 本文主要研究内容和章节安排

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 章节安排

2 水平轴潮流能水轮机叶片设计的基本理论

2．1 翼型理论

2．1．1 二维翼型几何参数

2．1．2 二维翼型水动力特性

2．2 能量捕获基本理论

2．2．1 一维动量定理

2．2．2 叶素动量理论(BEM)

2．2．3 BEM修正参数

2．3 叶轮性能

2．3．1 叶片设计因素

2．3．2 叶轮性能参数

2．4 本章小结

3 基于BEM-CFD模型的水平轴潮流能水轮机性能计算方法

3．1 概述

3．2 BEM模型搭建

3．2．1 原始叶片参数

3．2．2 升阻力系数计算

3．2．3 BEM程序编写

3．3 CFD模型搭建

3．3．1 CFD概述

3．3．2 物理模型和网格划分

3．3．3 网格无关化验证

3．4 BEM-CFD模型搭建

3．5 本章小结

4．1 概述

4．2 多目标遗传算法

4．3 叶片自动化优化程序

4．3．1 叶片的参数化

4．3．2 叶片优化流程

4．4 基于最优工况点的水轮机叶片优化研究

4．4．1 初始样本设计

4．4．2 建立二次响应关系

4．4．3 优化模型及结果

4．4．4 优化结果有效性验证

4．5 基于多工况点的水轮机叶片优化研究

4．5．1 初始样本设计

4．5．2 建立二次响应关系

4．5．3 优化模型及结果

4．5．4 优化结果有效性验证

4．5．5 空化性能预测

4．6 本章小结

5．1．1 本文主要完成的工作

5．1．2 主要结论

5．2 展望

参考文献

作者简历