水平轴潮流能叶轮性能仿真模型研究.pdf

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1、第32卷第3期2013年9月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．32，No．3Sept，2013水平轴潮流能叶轮性能仿真模型研究王兵振，张巍，夏增艳，段云棋(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：基于叶素一动量(BEM)理论，建立了水平轴潮流能叶轮动力特性仿真模型。利用文献中水平轴潮流能设计和仿真的案例，对建立的仿真模型进行了验证。对比结果表明，建立的仿真模型正确合理，能够预测水平轴潮流能叶轮的动力特性；应用建立的模型对初步设计的一个水平轴潮流能叶轮进行了仿真分析．仿真结果说明设计达到了预期要求。关键词：潮流能；叶轮；仿真；叶素一

2、动量理论中图分类号：P743．1文献标志码：A文章编号：1003—2029(2013)03—0110—04由于潮流的规律性、可预测性，近年来潮流能发电技术发展迅猛，国内外开展了大量的研究工作。其中，以Seagen为代表的水平轴潮流能装置展示了其良好的发展潜力Ⅲ。我国潮流能资源丰富，潮流能发电技术在我国有着较好的应用前景。水平轴潮流能叶轮是将潮流能能量转换为电能的关键环节，对叶轮性能进行准确地预报是水平轴潮流能叶轮设计工作的核心。对水平轴潮流能叶轮进行分析的方法主要参考风力发电机叶轮分析方面理论和方法，主要有3种：基于动量一叶素理论方法刚、基于涡

3、系理论方法[51、求解N—S方程的CFD方法∞】。动量一叶素理论方法出现较早，应用最为广泛，计算成本最低，目前在水平轴潮流能叶轮性能仿真方面应用最为广泛，但其计算结果的精确性相对较差。计算流体力学(CFD)方法计算精度最高，但计算量巨大，需要高性能计算机和复杂的计算程序或计算软件。第三种方法是涡流理论，该理论计算叶轮动力性能的关键在于如何合理模拟风轮后面的尾涡几何结构，对于低速不可压流动能够给出比较准确的结果，而且计算量小于CFD。水平轴潮流能叶轮设计工作纷繁复杂，在不同的阶段对仿真分析的要求也有所不同。在初步设计阶段，需要对许多种技术方案进行

4、仿真计算，通过对比分析和优化参数，确定最佳技术方案，此阶段主要特点是计算量非常大，但对精度要求相对较低。在完成初步设计后，叶轮技术参数已经确定，对叶轮性能的仿真分析要求精度高，但计算模型的种类相对较少。由于CFD方法计算量过大，无法适用于叶轮初步设计阶段；而叶素一动量方法计算量小，精度适当，非常适合叶轮初步设计阶段。在叶轮关键技术参数确定后，可利用CFD方法对叶轮的性能再进行最终仿真分析，以考察设计方案是否达到要求。针对上述情况，有关学者开展了研究工作，综合利用叶素一动量理论和CFD的方法，即在初步设计阶段利用叶素一动量方法，而在最终分析过程中

5、利用CFD方法，研究结果表明该方法达到了较好的效果。针对水平轴潮流能叶轮性能仿真问题，本文开展了研究工作，利用叶素一动量理论建立了水平轴潮流叶轮仿真分析模型，并对建立的模型进行检验和应用。1仿真模型叶素一动量理论将动量理论和叶素理论相结合，广泛应用于风机叶轮设计领域。该方法将叶片沿翼展方向分割为若干段，每一段为一个叶素，并假定相邻叶素之间没有干扰，叶素上的气流视为二维流动，而作用在每个叶素上的力和力矩都只与该处叶素剖面翼型升力和阻力有关。将作用在每个叶素的力和力矩沿展向积分，就可以求得作用在叶轮上的力和力矩。该方法依据动量定理，建立了叶轮受力与

6、流体速度变化间的关系，确定了叶轮处流体运动轴向诱导系数和切向诱导系数的计算方法；利用叶素理论，参考2D翼型特性，确定了各叶素的受力状况。单个叶素的流体速度分布和受力情况如图1所示。图中，西为人流角；o为叶素的攻角泪为叶素的安装角；U为远方流速速度；o为轴向诱导系数；n为叶片旋转角速度；b为切向诱导系数；W为叶素处流体实际的速度；dD为流体对叶素产生的阻力；dL为流体对叶素产生的升力；T为作用在叶素上的轴向推力；Q为作用在叶素上的切向力；Q对叶片产生力矩，带动叶片做功。根据叶素一动量理论，建立了水平轴潮流能叶片动力性收稿日期：2013—04—10

7、基金项目：海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201205019—3)作者简介：王兵振(1972一)，工学博士，主要从事海洋可再生能源开发利用技术研究。Email：wang_bingzhen@163．eom第3期王兵振，等：水平轴潮流能叶轮性能仿真模型研究／．低⋯】Ld《7-＼》k恢／／图l叶素流体速度分布和受力示意图能仿真模型，其中轴向诱导系数、切向诱导系数的计算公式为：细ctan譬而(1-a)](1)％=≯1H南·剀㈦耻≯1H一击·挚]]㈩F=吃·凡6(4)五aF=土4sin2妒lU4sinc。一篇4sin(5)l一口‘‘痧l—bF：堡笠(

8、6)1+b4sin矿cos矿x：二(7)仉：旦(8)Cx=CLcos妒-I-Cosin西(9)Cr=CLsin妒一Cocos妒(10)式中：n为轴向诱