基于CFD的水平軸海流能水輪機葉片設計及水動力學特性分析

尹銳 王文全 潘瀏鍇

摘要：設計海流能水輪機葉片和分析水動力學特性，有利于開發海洋能。首先基于CFD對二維水翼進行數值模擬，通過對比不同的升阻比，得到該水翼的最佳攻角。然后利用Wilson設計法，設計出海流能水輪機葉片（功率為200W）。最后對該海流能水輪機進行了設計工況和變槳距角工況下的水動力學特性分析。結果表明：當流速較小時，可以通過增大槳距角，降低啟動扭矩；當流速過大時，可以通過增大槳距角來減小其軸向荷載，進而保證整個裝置的穩定運行。本文分析成果可為設計海流能水輪機葉片提供依據。

Abstract： Researching on blade design and hydrodynamic characteristics of ocean current turbine， it helps to utilize marine energy. Firstly， based on the computational results of two-dimensional hydrofoil using CFD， the best attack angle of the hydrofoil is acquired by analyzing different ratio of lift to drag. Then a horizontal axis current turbine （200W power） has been designed using the Wilson method. Finally， hydrodynamic characteristics of the horizontal axis current turbine under design case and different pitch angle are analyzed. The results show that： when the flow rate is small， it can be start by increasing pitch angle； when the flow rate is too large， it can be reduced the axial load by increasing the pitch angle， thereby ensuring the stability of the entire operation of the device. The analysis results can improve the design.

關鍵詞：水平軸海流能水輪機；計算流體動力學；葉片設計；水動力特性；數值模擬

Key words： horizontal axis current turbine；computational fluid dynamics；blade design；hydrodynamic characteristics；numerical simulation

中圖分類號：TK730.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0153-03

0 引言

目前，尋求清潔可再生能源來解決能源危機已成為世界各國共同面臨的重大挑戰，我國能源稀缺也日益嚴重。海流能是一種綠色能源，且含量非常豐富，越來越受到世界各國的重視。海流能是在海上風力、海水溫度和鹽度所引起的梯度差的作用下所產生的能量，相對比較穩定[1-2]。海流能轉換裝置——海流能水輪機主要分為透平類裝置和非透平類裝置兩類[3]。前者具有體積小和便于控制等特點[4]。其中，按照葉輪轉軸與來流方向的位置又可分為水平軸式和垂直軸式，由于水平軸式海流能水輪機以其良好的水動力學特性得到了廣泛的關注，為此，本文選取水平軸海流能水輪機作為研究對象。

大批學者針對海流能水輪機水動力學特性開展了廣泛的研究，如Bahaj等基于葉素動量理論對水平軸海流能水輪機進行了水動力學特性和流場分析[5-6]，隨后又通過試驗來驗證理論分析的可靠性[7-8]。Jo等針對小型水平軸海流能水輪機進行了數值模擬，分析了各不同葉尖速比下的流場分布情況[9-10]。

Goundar等對水平軸海流能水輪機進行了三維外形設計[11]。Kang等利用浸入邊界法對實際運行中的海流能裝置進行了三維數值模擬[12]。目前大部分研究都集中在對現有葉片實體模型的基礎上進行水動力學特性分析，而本文主要提出基于CFD計算成果的海流能水輪機三維設計思路，并主要開展水平軸海流能水輪機變槳距角工況下的水動力學特性計算和分析，為海流能動力轉換裝置的優化設計和運行控制提供參考。

1 基于CFD的葉片設計

1.1 控制方程

1.2 最佳攻角分析

水翼的升阻特性會隨著攻角α的變化而改變，一般用升阻比CL/CD來衡量水翼性能的優劣，當升阻比最大時對應的便是最佳攻角。現取攻角從0°-20°之間變化，分別計算各個攻角下的升阻比。計算結果如圖1所示。當攻角從0°增加到7°的過程中，升阻比不斷增加；當攻角從7°增加到20°的過程中，升阻比不斷減小。最大升阻比所對應的攻角為7°，故最佳攻角為7°。

1.3 三維葉片設計

葉片設計即在給定的設計功率200W和其他基本參數下，通過對Wilson設計法進行編程和優化計算，得到各截面的最佳弦長和扭角。具體計算步驟如下：

①根據葉素理論，將葉片沿展向均勻分成n個斷面，設第i斷面半徑為ri；

②分別求半徑為ri的各截面的最大功率利用系數，進而求出弦長C和入流角φ；

③根據θ=φ-α求解出安裝角θ，其中α為葉素最佳攻角，根據1.3節CFD計算結果，取α=7°。

根據三維坐標轉換公式計算出各葉素截面的三維坐標，最終形成的海流能水輪機葉片三維實體模型如圖2所示。

2 海流能水輪機水動力學特性分析

現對不同的槳距角進行分析。圖3-圖5所示分別為不同槳距角下海流能水輪機功率系數、扭矩系數、軸向力系數隨葉尖速比λ變化的情況以及最大功率系數、最大扭矩系數、最大軸向力系數隨槳距角θm變化的情況。槳距角不變時，隨著λ的增加，功率系數和扭矩系數先增加后減小，軸向力系數先增加，達到最值后有逐漸減小的趨勢。槳距角越大，扭矩系數在越小的λ下達到最值，增加槳距角有助于在來流速度較小時啟動；葉片的迎流面積越小，軸向力系數越小。

而對于不同的槳距角，最大功率系數隨著槳距角的增加先增大后減小，最大扭矩系數隨著槳距角的增加而增加，最大軸向力系數隨著槳距角的增加而減小。這說明當流速較小時，可以通過增大槳距角啟動葉輪旋轉；當流速過大時，可以通過增大槳距角來減小其軸向荷載，進而保證整個裝置的穩定運行。

3 結論

本文首先基于CFD對二維水翼進行了流場數值模擬，找到最佳攻角。然后對Wilson設計法進行編程計算，設計出功率為200W的海流能水輪機葉片。最后分析了該海流能水輪機變槳距角下的水動力學特性。通過計算結果發現，海流能水輪機功率系數、扭矩系數、軸向力系數都隨葉尖速比的增加先增加后減小。最大功率系數、最大扭矩系數隨著槳距角的增加而增大，最大軸向力系數隨著槳距角的增加而減小。研究表明，在轉速不變的情況下，隨著流速的不斷增加，其軸向力也逐漸增大，過大的流速將會對裝置產生破壞；另一方面，當流速較小時，小槳距角的扭矩較小，葉輪難以啟動，而通過改變葉片的槳距角，可以有效解決以上問題，進而保證整個裝置的穩定運行。

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