海流能发电装置叶片性能及气蚀研究

海流能发电装置叶片性能及气蚀研究Research on the Blade Performance and Cavitation of Generate Electricity Equipment by Energy of Ocean Current摘要：对水平轴螺旋桨式海流能发电装置叶片的升阻系数特性及气蚀特性进行了数值模拟研究，研究结果与文献的试验结果较好地吻合，并得出了结论。关键词：海流能发电装置； 叶片性能；气蚀；仿真研究Abstract: Numerical Simulation and research on the rising-resistance coefficient Characteristic and Cavitation characteristic are carried out for blade of generate electricity equipment by energy of ocean current with level-screw type. The research result is accordance with the test result . The conclusion is obtained.Key words: generate electricity equipment by energy of ocean current； blade performance；cavitation ; simulation research1 概述7在开发绿色新能源的过程中，海洋能的开发利用被认为有巨大开发潜力，作为海洋能的一种海流能，人类可以像风力机捕获风能一样来捕获海流能1-2。如图1所示为用于捕获海(潮)流能的水下风车装置，利用海流以一定的速度和攻角冲击流线型的桨叶，通过变速机构，驱动发电机发电。*基金项目：国家自然科学基金资助（50505043）；浙江省重大科技攻关项目（2006C11012）.收稿日期：2007-12-29 杭州市 310027要提高该类型装置的能量捕获效率，关键要素之一就是要设计出高效的叶片结构。叶片在强度满足水下工作环境要求的前提下，既要有较高的升力系数特性，又要有较低的阻力系数和延迟的失速特性；同时还需防止叶片气蚀现象的产生，这是一个不同于风力机的问题。叶片在水中旋转，易出现气蚀现象，破裂的气泡对桨叶的冲击损坏表面的防腐层，加速桨叶的腐蚀，也会使系统产生振动和噪声。 本文对叶片的升阻系数特性及气蚀特性进行数值模拟研究，旨在对解决上述问题作有益的探讨。 图1“水下风车”示意图2 叶片结构对升阻系数的影响水平轴螺旋桨式海流能发电装置的叶片所处的水动力学环境与风力机或机翼的空气动力学环境有相似之处，也有其自身的特点，所以一方面要借鉴风力机翼型理论，另一方面也要结合具体的水工作环境对其进行研究。国内外关于翼型绕流以及流体和机翼相互作用问题的研究包括理论研究、数值模拟和试验3个方面。基于水下风车叶片与风力机叶片相似的特点均采用大的高宽比结构，它的基本性能可以很好地通过叶素动量（Blade Element Momentum）理论来模拟分析3。叶片表面的三维不可压缩定常粘性流在柱面坐标下的流动控制方程为(1) (2) （3）式中为流体密度；为速度矢量沿轴的3个速度分量；为柱坐标3个坐标轴；为流体压力；为动力粘度。对于一个旋转系统，通过对式（1）式（3）积分，可得沿水流方向和垂直于水流方向的动量积分方程5： （4）（5）图3 升力系数曲线式中为边界层动量厚度；为边界层形状系数；为边界层边缘速度；为表面摩擦因数；为叶轮旋转速度；为边界层位移厚度；为边界层厚度；为流体沿翼型表面的脱落点。当流体流过叶片时会产生分离的现象，从而对叶片产生持续的作用力；同时在叶片的后部会有漩涡脱落的现象产生，特别当叶片后部两侧交替产生的漩涡周期性脱落会对叶片产生与来流方向垂直的周期性作用力时，持续和脉动流体力的作用会使叶片产生疲劳、振动和噪声，严重时会使叶片破坏；反之叶片也会影响流场的分布，实际上对于有限翼展的叶片，其上下表面压差产生了使叶片旋转的升力，同时由于水流企图从高压侧流向低压侧，所以在叶片的后缘处(见图2)及两端形成涡流，涡流造成阻力的增加，即引起一个诱导阻力。图2翼型涡流升力系数和阻力系数是表征叶片性能的重要参数，文献6从试验测量的角度研究了叶片升力系数(Cl)、阻力系数(Cd)及叶片表面的压力分布特性；文献4则试验研究了“水下风车”（Marine Current Turbine）在不同流速、不同压力环境下的功率系数、扭矩系数(Ct)与叶轮尖速比(TSR)的关系。随着计算流体力学技术的成熟，通过数值模拟方法获取叶片的各种性能参数越来越得到应用。翼型的雷诺数计算如下：Re式中V为流动的特征速度，这里取4m/s(为了与文献6的试验结果对比)；l为流动的特征长度，这里取叶片弦长0.23m (取该值同样是为了与文献6的试验结果对比)；为流体的运动粘度，对于水=1.00710-6 m2/s。图3和图4为二维翼型NACA63-215在Fluent软件中求得的升力系数、阻力系数图，与文献6中试验结果对比，二者非常好地实现吻合；但在仿真过程中湍流模型的选择是个非常重要的问题，在仿真中，小攻角时采用标准的k-e模型，并采用非平衡壁面函数的近壁面图4 阻力系数曲线图5 不同翼型的升力系数曲线处理，该模型对于处理贴近壁面附近的流动计算是很有效的；当大攻角时，在考虑流体分离及回流现象的基础上，采用k-模型。仿真结果表明用数值模拟的方法也可以获得叶片翼型合理的升阻特性。下面以NACA2415、NACA 4415、NACA4424、 NACA2411为例研究翼型的弯度、厚度对升阻特性的影响，同时通过所得的叶片表面压力系数分布研究叶片的气蚀现象，通过分析力求可以获得既提高叶片性能又降低叶片气蚀发生的合理结构。对图5和图6中不同翼型的升力系数和阻力系数曲线分析，对相同厚度(15%倍弦长)的NACA 4415和NACA 2415翼型，NACA 2415的升力系数要小于NACA 4415，而其阻力系数基本相当，即同等厚度下，适当弯度的增加(NACA 2415的弯度要小于NACA 4415)可以增大升力系数而维持阻力系数基本不变；再比较同等弯度但不同厚度的NACA 4415与NACA 4424翼型及NACA 2415和NACA 2411翼型，结果表明大的厚度在减小升力系数的同时也增大了阻力系数，这对叶片的性能是不利的，但随着弯度的降低，厚度对阻力系数的影响逐渐减小。叶片的形状主要根据动力学性能和结构设计来确定。为了尽可能地提高叶片效率，就要增大叶片的升力系数Cl工作范围和攻角变化范围，同时结构上也要尽量避免气蚀的发生。从效率的角图6 不同翼型的阻力系数曲线度看，要减小阻力系数Cd，而从结构强度上考虑，又需要有较厚的截面，尤其在叶片根部，而这又会导致较高的阻力系数，所以在选择叶片翼型时，要有合适的弯度，同时在保证叶片结构强度的前提下，应选用较小的厚度。3 叶片的气蚀特性研究不同压力下，水的汽化温度是不同的，在常温下，当叶片的局部压力达到或低于水的汽化压力时，叶片就会发生气蚀；这是因为叶片工作时，叶元体的迎流面的压力较高，而叶背处压力较低，同时不同叶轮半径处的攻角和入流速度是不同的，迎流速度的提高和攻角的增大使叶背处的压降更加明显，所以气蚀现象的出现与否可以根据叶片周围局部压力分布的大小来判断。汽化系数常被用来表征叶片结构是否发生气蚀，它被定义为(6)而结构物周围的压力系数定义为式中 p0 参考静压力，等于patm+gh，Papatm大气压力，PapV 汽化压力，Pa 水的密度，kg/m3h水的深度，mV 自由来流的速度，m/spL 局部压力，Pa图8 不同翼型的压力系数比较 当pLpV或Cp时，就会出现气蚀现象。由上式可见，由于1/V2，而V=R，所以忽略了工作环境的温度变化引起的pV变化后，与叶轮的转速、直径及叶片的浸水深度h有关。叶轮在旋转一周过程中叶片的浸水深度是不一样的(在大型的长叶片结构中尤为明显)，不同深度对应的压力也不同，所以叶片上的同一位置点的气蚀数在旋转过程中也是不一样的，而且这种现象在叶尖处更为突出。图9 汽化水体积分布图图7 NACA63215翼型不同攻角时的压力系数从理论上讲，通过增加叶轮的工作深度及降低叶轮的转速有助于避免气蚀的发生，但受工作条件及安装难度的限制，叶轮深度不可以太深；另一方面，对于大型水下风车而言，如果仅仅为了避免气蚀而将叶轮转速控制在很低时，那么功率一定时，叶片将需要承受很大的扭矩；所以有必要研究叶轮在高性能工作状态下可以防止叶片气蚀的合理结构。下面仍以前述翼型为例，研究叶片结构气蚀的规律性。根据前面所述条件，并设定式（6）中，pAT=101320 Pa，为1025kg/m3，pV3175 Pa，可求得10m水深处的气蚀数为24.5。图7为翼型为NACA63215处于 10m水深处，攻角分别是0、5、10和15时的压力系数曲线，可以看出随着攻角的增大，系数Cp逐渐增大，但仍低于气蚀数，所以不会发生气蚀。图8分别为NACA2415、NACA4415、ACA4424、 NACA2411翼型的压力系数曲线，从图中可见，同样攻角的条件下，随着叶片翼型厚度及弯度的减小，压力系数逐渐增大，即气蚀的可能性越来越大。图9是NACA2415翼型在攻角为15，流速为8m/s时的气蚀图，它展示的是汽化水在翼型上表面前缘后的体积分布。对于水下风车的叶片结构，要改善其气蚀特性，一方面需要改善叶片翼型结构，比如适当增加叶片的厚度、增大弯度等，寻求探索新的翼型结构；另一方面，采用抗剥蚀材料或抗剥蚀涂料，目前已知抗剥蚀性能好的材料是钛合金，俄罗斯已有用钛合金制作螺旋桨的例子，也可采用表面涂钛的方法，国内外都有可用于螺旋桨抗剥蚀的涂料7。4 结论通常设计元件的一般过程为设计、样机性能试验、制造。本文采用CFD方法通过计算机对叶片性能进行了仿真研究，其结果与相关文献6的试验结果相比较，认为该方法能够很好地在图纸设计阶段预测叶片的性能及其周围流动产生的漩涡、气穴、边界层分离、尾流等不良现象，将可能发生故障的隐患消灭在图纸设计阶段。通过仿真表明，在水下风车叶轮的工作环境中，大厚度叶片翼型不利于获得高性能的升阻系数特性，但对防止气蚀有较好的效果；弯度的减小可以减弱厚度对阻力系数的影响，但却不利于升力系数的提高，也不利于改善叶片气蚀特性；所以在叶片的设计过程中，要均衡二者利弊，实现二者最优组合。参 考 文 献1 J. VanZwieten, F.R. Driscoll, A. Leonessa and G. Deane. Design of a prototype ocean current turbine Part I-mathematical modeling and dynamics simulation. Ocean Engineering, In Press, Corrected Proof, Available online 19 January 2006.2 Fraenkel, P. L. Power from marine turbines. Proc. Instn Mech. Engrs, Part A, 2002.3 Barnsley MJ, Wellicome JF. Wind tunnel investigation of stall aerodynamics for a 1.0m horizontal axis rotor. J Wind Eng Ind Aerodyn, 1992(39).4 A.S. Bahaj, A.F. Molland, J.R. Chaplin, W.M.J. Batten. Power and thrust measurements of marine current turbines under various hydrodynamic flow conditions in a cavitation tunnel and a towing tank. Renewable Energy, 2007, 32(3):407-426.5 Danmei Hu, Ouyang Hua, Zhaohui Du. A study on stall-delay for horizontal axis wind turbine. Renewable Energy,2006, 31(6)：821-836.6 Molland, A.F., Bahaj, A.S., Chaplin, J.R., et al. Measurements and predictions of forces, pressures and cavitation on 2-D sections suitable for marine current turbines. 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