一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，綜合考慮包括升力系數、阻力系數、升阻比和空化現象等在內的水輪機葉片設計的各種要求，所選用的目標函數能夠根據不同的設計要求對水輪機翼型進行綜合評估。選取首緣切線、尾緣切線和翼型上下曲線上控制點的橫坐標和縱坐標作為設計變量。采用了三次樣條曲線，具有較高的擬合精度。采用了FLUENT或者CFX計算流體力學軟件或者XFOIL翼型估算軟件等對水翼翼型的水動力性能和壓力分布等進行計算，充分保證了計算的準確性。水翼翼型設計方法基于遺傳優化算法，能夠獲得全局最優解。本發明不但能夠提高潮流能水輪機葉片翼型的水動力學性能，還能降低表面的最大壓力系數，從而達到避免空化現象的目的。
【專利說明】一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于可再生能源領域，具體涉及一種用于設計潮流能水輪機的葉片翼型設 計方法，可用于各類型水輪機翼型設計。
【背景技術】
[0002] 隨著世界經濟的發展，能源消耗越來越多。由于化石能源危機以及傳統能源所帶 來的環境污染和碳排放等問題，使得清潔的可再生能源日益重要。潮流能是一種非常重要 的新能源，具有可靠、周期性、分布廣泛、且可持續等優點，潮流能將會在未來的能源中扮演 重要角色。為了利用潮流能，水輪機被采用作為主要的能量捕獲裝置。因此如何提高潮流 能水輪機的能力捕獲效率成為了影響潮流能發電推廣應用的關鍵因素。
[0003] 水翼翼型作為組成葉片外形最重要的因素之一，對潮流能水輪機的能量轉化效率 有重要影響。目前，已知的翼型基本上都是考慮航空航天和風力機等設計要求所獲得的，關 于潮流能水輪機的專用水翼翼型極少，而翼型設計方法更是少之又少。
[0004] 傳統的在航空航天和風力機方面的應用的翼型設計方法主要存在兩大問題：一是 水翼翼型有一些不同于航空航天和風力機的特定設計要求，在航空航天和風力機的翼型設 計方法不能適用；二是大部分設計方法大都基于單目標，而實際的翼型設計目標是非常復 雜的，需要考慮多目標才能獲得合理的翼型；三是大部分設計方法是基于靈敏度分析的優 化方法，難以獲得全局最優解。隨著我國潮流能電站項目的開展，為了開發具有自主知識產 權的潮流能水輪機，必須建立完備的翼型設計方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提出了一種潮流能水輪機葉 片翼型設計方法。
[0006] 為解決以上技術問題，本發明所采用的技術方案是：
[0007] 步驟一：根據設計要求確定設計變量和目標函數，建立水翼翼型優化模型；
[0008] 步驟二：確定水動力性能和壓力系數的計算方法和遺傳算法的適應度函數；
[0009] 步驟三：生成初始種群，并擬合水翼翼型曲線；
[0010] 步驟四：生成水翼翼型流體區域網格模型，計算并輸出水動力性能，并輸出升力、 阻力和壓力等信息；
[0011] 步驟五：根據水動力系數和壓力系數計算目標函數，依據適應度函數進行評估，判 斷是否收斂，收斂則結束優化，否則生成新種群，返回步驟三。
[0012] 該方法綜合考慮包括升力系數、阻力系數、升阻比和空化現象等在內的水輪機葉 片設計的各種要求，所選用的目標函數能夠根據不同的設計要求對水輪機翼型進行綜合評 估，選取首緣切線、尾緣切線和翼型上下曲線上控制點的橫坐標和縱坐標作為設計變量，采 用了三次樣條曲線，具有較高的擬合精度，采用了 FLUENT或者CFX計算流體力學軟件或者 XFOIL翼型估算軟件等對水翼翼型的水動力性能和壓力分布等進行計算，充分保證了計算 的準確性，水翼翼型設計方法基于遺傳優化算法，能夠獲得全局最優解。
[0013] 本發明的優點在于：
[0014] 1)相對于傳統的水輪機設計方法，本發明綜合考慮了水輪機水翼翼型設計的各個 方面，能夠根據不同水域和海洋環境要求獲得最佳的水翼翼型曲線。
[0015] 2)所提出設計方法中設計變量選擇和曲線擬合方法能夠準確描述真實的水翼翼 型曲線，能夠盡可能的擴大設計空間，
[0016] 3)相對于傳統優化方法，本發明所采用的遺傳算法具有可行解表示廣泛性、群體 搜索性、隨機搜索性和全局性等有點，能夠獲得全局最優解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明中的潮流能水輪機翼型設計方法流程；
[0018] 圖2是本發明中的水翼翼型及其設計變量；
[0019] 圖3是本發明中的目標升力系數曲線；
[0020] 圖4是本發明中的水輪機水翼翼型的空化現象；
[0021] 圖5是本發明中實施例中不同設計水翼翼型設計對比；
[0022] 圖6是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的壓力分布對比；
[0023] 圖7是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的升力系數對比；
[0024] 圖8是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的阻力系數對比；
[0025] 圖9是本發明中實施例中不同設計目標函數情況下的升阻比對比；
[0026] 圖中：
[0027] 1、水翼； 2、翼型曲線； 3、翼型中心線； 4、前緣；
[0028] 5、后緣； 6、控制點； 7、控制點設計域； 8、傳統的升力系 數曲線；
[0029] 9、目標升力系數曲線
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0031] 如圖1所示，本發明所提出的潮流能水輪機水翼1翼型設計方法包括了優化模塊、 目標函數模塊和性能計算模塊。
[0032] 優化模塊主要是生成初始設計方案，對新的水翼1翼型方案的水動力性能進行評 估，并在原有的設計方案基礎上生成新的翼型設計參數。
[0033] 目標函數模塊主要功能是根據水翼1翼型參數生成新的幾何構型，從計算流體力 學分析結果中提取分析結果，并根據計算結果獲得目標函數。
[0034] 性能計算模塊的主要功能是根據幾何構型生成離散網格數據，并采用FLUENT或 者CFX或者XFOIL軟件計算水翼1翼型的升力系數、阻力系數和壓力分布等，為目標函數模 塊提供計算依據。
[0035] 依據以上三個模塊，本發明采用遺傳算法對潮流能水輪機水翼1翼型進行優化設 計，所提出的水翼1翼型優化方法計算按照如下步驟進行。
[0036] 第一步，根據設計要求確定設計變量和目標函數，建立水翼1翼型優化模型。
[0037] 設計變量直接涉及到水翼1翼型，因此如何選址取樣點方法和曲線擬合方法尤為 重要。而目標函數的選取則直接關系到所設計出來的水翼1翼型的性能，需要根據設計需 要靈活設定。
[0038] 如圖2所示為一個典型的水翼1，翼型中心線3連接在前緣4和后緣5之間，根據 初始設計方案在水翼1的翼型曲線2上選取至少四個以上的控制點6,控制點6為翼型曲線 2上的點，通過改變控制點6的橫坐標或者縱坐標大小可以移動控制點6的位置，從而可以 改變翼型曲線2形狀，進而達到改善水翼1水動力性能的目的，控制點設計域7為控制點6 的橫坐標和縱坐標上下界所圍成的設計空間，其中水翼上下翼型曲線2上分別取m和n個 控制點，為了控制水翼1前緣和后緣的形狀，將前緣和后緣的切線也作為設計變量，設計變 量X如下式所示。
[0039] X - (x00, X11, yn, x12, y12, ? ? ? , xlm, ylm, x21, X21，X22,又22, ? ? ?，X2n，y2n，X01)
[0040] 其中Xcitl和Xtll分別為水翼I翼型前緣和后緣的切線大小，（X lni, ylD1)和（x2n, y2n)分 別為水翼上、下翼型曲線2上的控制點6坐標，x2n和Xlni為水翼上下翼型曲線2控制點6的 橫坐標，而ylm和y2n為水翼上下翼型曲線2控制點6的縱坐標。
[0041] 水輪機葉片沿展向方向不同位置有著不同的設計要求，靠近槳葉外側部位，要求 翼型具有較大的升力系數和升阻比，以及較小的阻力系數，使得采用較小的弦長就可以達 到指定的水動力載荷。從水動力學設計的角度，翼尖區域的升阻比是最為重要的參數。由 于水輪機所受到的載荷較大，為了滿足結構設計的要求，一般采用較厚的翼型。由于靠近翼 根部位承受了極大的載荷，為了布置結構的需要，因此必須對翼型厚度有特別要求，但此時 又會犧牲較大的水動力性能。為了使水輪機的水動力性能達到最優，因此在沿著翼展方向 布置不同的翼型，需要根據不同設計要求來設計特定的翼型。因此本發明將設計目標分為 兩類，一類是基本的水動力性能，包括了升力系數、阻力系數和升阻比，直接關系到水輪機 的能量轉換效率；第二類為壓力系數，直接關系到空化現象，可能影響水輪機的使用壽命和 可靠性。
[0042] 首先對于水動力性能。對于風力機領域的翼型，風力機葉片可能處于失速區域，當 攻角到達失速點后，氣動效率可能急劇下降。如圖3所示為傳統的升力系數曲線8和目標 升力系數曲線9的對比，傳統的翼型在失速點附近可能會導致升力系數的急劇下降，會對 潮流能水輪機的能量利用效率產生影響，因此并不適合作為水輪機水翼1翼型。對于潮流 能水輪機，在設計中更希望水動力性能不要隨著攻角的變化過于劇烈，尤其是在失速區域。 因此本發明提出在具體的翼型設計中要求分離點隨著攻角的增加而緩慢向后緣移動，具體 表現為將目標升力系數曲線9的升力系數隨著攻角的增加而緩慢變化，充分保證水輪機性 能。此外，阻力系數、升阻比等同樣也會對水輪機水翼1水動力性能產生重要影響。為了設 計出性能最佳的水翼1翼型，這就要求目標函數考慮多個多種工況下的升力系數、阻力系 數、升阻比和壓力系數等水動力性能，開展綜合優化設計。
[0043] 其次對于壓力系數問題。當某一流體區域的壓力小于空化壓力值時就會形成氣 泡。空泡是由于一個空氣泡在水中迅速破裂，產生了一個沖擊波。通過類型空泡通常發生 在抽水機、螺旋槳和葉輪等機械結構中。從流體設計的角度來看，由于水輪機葉片壓力的原 因所造成的空化空泡問題應當在水輪機葉片翼型設計中考慮到，因為由慣性空泡的破裂所 產生的沖擊波可能會對水輪機結構產生重要破壞。如圖4所示為水翼1上空化現象的產生 條件，壓力系數分布隨著弦向位置分布會出現一個最大值，當水翼1上的壓力系數Cp大于 空化系數O。的時候就會產生空化現象。
[0044] 空泡系數定義如下：
【權利要求】
1. 一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：根據設計要求確定設計變量和目標函數，建立水翼翼型優化模型； 其中， 目標函數： f(x) =f(CL,CL/CD,CD,CpfflJ設計變量： X - (x00) Xll) Yll) X12> yi2> ? ? ? ) Xlm> yim) X21> X21> X22> 5^22) ? ? ? ) X2n> 5^211) X0l) 約束條件：
其中，Q、cycD、cD和cp_分別為任意攻角情況下的升力系數、升阻比、阻力系數和最大 壓力系數，均為設計變量X的函數； 4、4、<、％、<_和分別為前緣、尾緣、翼型上表面控制點橫坐標、翼型 上表面控制點縱坐標、翼型下表面控制點橫坐標和翼型下表面控制點縱坐標的下界， ?4、4、4、乂:、4和成分別為前緣、尾緣、翼型上表面控制點橫坐標、翼型上表面控制 點縱坐標、翼型下表面控制點橫坐標和翼型下表面控制點縱坐標的上界；m和n分別為水翼上下翼型曲線控制點的數量； Xcici和分別為水翼翼型前后緣切線，（xlD1，ylD1)和（x2n，y2n)分別為水翼上下翼型曲線 上的控制點坐標，x2n和xlm為水翼上下翼型曲線控制點的橫坐標，而ylm和y2n為水翼上下翼 型曲線控制點的縱坐標； 步驟二：確定水動力性能和壓力系數的計算方法和遺傳算法的適應度函數； 步驟三：生成初始種群，并擬合水翼翼型曲線； 步驟四：生成水翼翼型流體區域網格模型，計算并輸出水動力性能，并輸出升力、阻力 和壓力等信息； 步驟五：根據水動力系數和壓力系數計算目標函數，依據適應度函數進行評估，判斷是 否收斂，收斂則結束優化，否則生成新種群，返回步驟三。
2. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，目標函 數f(X)采用以下形式： f(x) =w1CL+w2CL/CD+w3CD+w4Cpmax 其中Wi(i =L..4)分別是升力系數、升阻比、阻力系數和最大壓力系數的權重，并且 滿足
和0彡Wi彡1(i= 1，2, 3)。
3. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，目標函 數f(X)采用以下形式： f(x) = (WiCL+W^L/C^Cn)Cpmax 該目標函數為翼型水動力性能和壓力系數的積，其中Wi(i= 1... 3)分別是升力系數、 升阻比和阻力系數的權重，并且滿足
和0彡Wi彡1(i= 1，2, 3)。
4. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，目標 函數可以采用如下式所示的多個攻角情況下各個水動力系數和壓力系數函數的組合函數 g(x),
其中，au為水翼攻角大小，/(〇 = 1二…A')為攻角大小為au情況下的水動力性能 目標函數，v為目標函數中所選擇的攻角數目，組合函數g(x)可以綜合考慮任意個攻角情 況下水動力性能參數，并且可以采取任意型式的組合方式，優選的可以采取如下式所示的 加權求和方法：
其中為權重系數，并且滿足
5. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，采用 FLUENT或者CFX或者XFOIL數值仿真程序計算升力系數、阻力系數、升阻比和壓力分布。
6. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，步驟二 中所述適應度函數采用如下形式：
其中h(s)為第s個設計方案的適應度，ss為種群中的設計方案數量，f(xs)為第8個 設計方案的目標函數。
7. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，步驟三 中采用水翼翼型曲線上控制點的橫坐標和縱坐標、翼型前緣和后緣切線來擬合水翼翼型曲 線。
8. 根據權利要求1所述的一種潮流能水輪機葉片翼型設計方法，其特征在于，步驟五 中生成新種群的方法為： 根據種群中ss個不同設計方案的適應度，按照5% -20 %的比例淘汰適應度低的設 計方案，然后將種群中的各個設計方案采用二進制數進行編碼，某一個設計方案中的所有 2m+2n+2個設計變量編碼成為一個二進制數，并按照首緣切線、翼型上表面曲線橫坐標和縱 坐標、尾緣切線、以及翼型下表面曲線橫坐標和縱坐標的順序排列；前緣切線、翼型上表面 曲線橫坐標和縱坐標、翼型下表面曲線橫坐標和縱坐標、后緣切線分別采用一個二進制數 表示。具體表達式如下，第一排表示轉換后的二進制數，第二排表示設計變量在編碼成的二 進制數中的編號，一共有2m+2n+2個設計變量，第1個為前緣切線X(KI，第2到2m+l個為翼型 上表面曲線橫坐標和縱坐標，并且按照（Xll，yil)(x12，y12)... (Xlm，yJ的順序排列，第2m+2 至IJ2m+2n+l個為翼型下表面曲線橫坐標和縱坐標，并且按照（x21，y21) (x22,y22). . . (x2m，yj 的順序排列，最后一個為后緣切線xcu，其在二進制數中的編號為2m+2n+2，
將保留的較優的設計方案按照5% -20 %的比例進行變異和雜交操作以獲得新解，從 而保證種群數量ss不變。
【文檔編號】G06F17/50GK104408260SQ201410729327
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月4日 優先權日:2014年12月4日
【發明者】任毅如, 張田田, 方棋洪, 文桂林, 曾令斌 申請人:湖南大學