CN106227985A - 潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法 - Google Patents

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袁鹏
王旭超
谭俊哲
王树杰
司先才
张连旺
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Abstract

本发明提供一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法。潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，采用Hicks‑Henne型函数对翼型叶片进行参数化建模，通过控制翼型叶片的上翼面和下翼面关键点来控制翼型曲线，并且，翼型叶片的首尾两点是固定不变。实现提升潮流能水轮机所用的翼型叶片升阻比，优化翼型叶片的结构以满足水流发电的要求，提高使用性能。

Description

潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法
技术领域
本发明涉及潮流能水平轴水轮机叶片技术领域，尤其涉及一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法。
背景技术
潮流能作为海洋能的一种，是指海水流动所具有的动能，其具有其他可再生能源所无法比拟的优势：相对于太阳能和风能，潮流能的能量密度更加集中，其能量密度大约为太阳能的30倍，风能的4倍；具有可预测性，在特定的海域，根据太阳、地球、月亮的相对运动和引潮力，能够准确预测海洋潮流能的流向；能量相对稳定，波动性约为波浪能的1/500。正是基于这些优势，开发海洋潮流能对于解决能源和环境问题具有非常重要的意义。目前，国内外对潮流能水轮机叶片通常采用翼型结构，而翼型结构的叶片通常借鉴航空技术中翼型叶片的设计方法进行研究，但是，在实际使用过程中，由于潮流能水轮机叶片的工作介质为水，水和空气的特性有较大的差别，导致现有技术中潮流能水轮机所用的翼型叶片升阻比较低使用性能较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，实现提升潮流能水轮机所用的翼型叶片升阻比，优化翼型叶片的结构以满足水流发电的要求，提高使用性能。
本发明提供的技术方案是，一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，采用Hicks-Henne型函数对翼型叶片进行参数化建模，通过控制翼型叶片的上翼面和下翼面关键点来控制翼型曲线，并且，翼型叶片的首尾两点是固定不变。
本发明提供的潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，利用上、下翼面几个关键点来控制翼型形状，提高了翼型设计的效率，用于叶片尖部的薄翼型具有较高的最大升力系数和最大升阻比，宽高升阻比范围，良好的粗糙度敏感性，良好的噪声特性等；用于叶片中部的中等厚度翼型具有良好的几何兼容性；用于叶片根部的大厚度翼型具有良好的结构特性以及较高的最大升力系数可以推广到各种潮流能水轮机翼型的设计、风力机翼型设计以及航空器翼型设计等，实现提升潮流能水轮机所用的翼型叶片升阻比，优化翼型叶片的结构以满足水流发电的要求，提高使用性能，具有较高的社会价值和经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和NACA 4412翼型的升力系数对比图；
图2为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和NACA4412翼型的升阻比对比图；
图3为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和DU25翼型的升力系数对比图；
图4为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和DU25翼型的升阻比对比图；
图5为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和DU35翼型的升力系数对比图；
图6为根据本发明潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法设计的翼型叶片和DU35翼型的升阻比对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，采用Hicks-Henne型函数对翼型叶片进行参数化建模，通过控制翼型叶片的上翼面和下翼面关键点来控制翼型曲线，并且，翼型叶片的首尾两点是固定不变，符合设计前后翼型的前、后缘位置不变的要求。具体的，Hicks-Henne型函数由基准翼型、型函数和函数参数组成，表达式如下：
所述翼型叶片的上翼面的函数为： ；
所述翼型叶片的上翼面的函数为：；
fk(x)为Hicks-Henne型函数，其表达式为：
，；
其中，y0top为初始上翼面函数，y0low为初始下翼面函数；x为翼型弦长，x取值范围在0~1之间；n为型函数数目；k为控制翼型厚度分布和弯度分布关键点的变量个数；ck为设计变量；0≤xk≤1。假定k=2, 3, 4, 5, 6, 7时，xk分别为0.15, 0.30, 0.45, 0.60, 0.75,0.90。当x=0或x=1时有fk (x)=0，满足了设计前后翼型前、后缘位置不变的要求，对ck取不同的值就可以得到不同形状和性能的翼型，根据需要进行设定。
基于上述技术方案，进一步地将遗传算法与XFOIL软件耦合来进行潮流能水轮机叶片专用翼型族的优化设计。
其具体实施步骤如下：
步骤1：确定设计变量、目标函数和约束条件；
选取上、下翼面共14个Hicks-Henne型函数的系数c k 作为优化设计变量，则确定的设计变量为：
。
当设计变量值超出一定范围后，翼型将出现不光顺或交叉现象，因此需要建立设计变量边界约束条件：
。
除了要对潮流能水平轴水轮机叶片翼型设计变量范围进行约束以外，还需要对其几何条件进行约束。
用于潮流能水平轴水轮机叶片尖部的薄翼型，主要考虑其获能效率、粗糙度敏感性及噪声特性等，确定的几何约束条件为：
最大相对厚度约束：
。
其中，t为翼型最大厚度；c为翼型弦长。
最大相对弯度约束：
。
为了保证整个潮流能水平轴水轮机叶片翼型族系列的几何兼容性确定其最大相对厚度位置约束为：
。
最大相对弯度位置约束为：
。
潮流能水轮机叶片的前缘对粗糙度比较敏感，为了减小叶片前缘的粗糙度敏感性，确定的约束条件为：
。
其中，re为前缘半径。
为了减小潮流能水平轴水轮机叶片的噪声，需要对叶片前缘的翼型的尾缘厚度进行约束：
。
式中，y u,0.99，y l,0.99分别表示x弦向位置分别为0.99时，翼型上、下翼面的y坐标值。
对于用于潮流能水平轴水轮机叶片中部的中间厚度翼型，主要考虑其几何兼容性，确定其几何约束条件为：
最大相对厚度约束为：
。
最大相对弯度约束为：
。
为了保证潮流能水平轴水轮机叶片翼型族的几何兼容性，确定其最大相对厚度位置约束仍为公式所述。
最大相对弯度位置约束为：
。
对于用于潮流能水平轴水轮机叶片根部的大厚度翼型，主要考虑其结构特性，确定其几何约束条件为：
最大相对厚度约束：
。
最大相对弯度约束为：
。
为了保证潮流能水平轴水轮机叶片翼型族的几何兼容性，确定其最大相对厚度约束仍为公式所述。
最大相对弯度位置约束为：
。
对潮流能水平轴水轮机叶片翼型族进行优化的主要目的是为了提高潮流能水轮机的获能效率，而其获能效率与叶片各截面的翼型的升阻比密切相关，因此，确定的目标函数为：
。
步骤2：生成初始种群；
步骤3：计算适应度值；
步骤4：比较并保存最佳个体；
步骤5：判断是否满足终止条件，若是，则得到优化翼型，若否，则执行步骤6；
步骤6：进行选择、交叉、变异等操作生成新一代种群，然后执行步骤3、4、5。
利用CFD软件Fluent得到了OUC-TT-120翼型和NACA4412翼型的水动力学特性，如图1-2所示。从图中可以看出，OUC-TT-120的最大升力系数达到了1.087，相比于NACA4412的0.9449提高了15.04%；OUC-TT-120的最大升阻比达到了21.8927，相比于NACA4412的14.9942提高了46.01%。
利用CFD软件Fluent得到了OUC-TT-250翼型和荷兰DU25翼型的水动力学特性，如图3-4所示。从图中可以看出，DU25翼型的最大升力系数为0.8349，最大升阻比为9.0273，而OUC-TT-250翼型的最大升力系数和最大升阻比分别为0.9857、10.3082，最大升力系数和最大升阻比分别提高了18.06%和14.19%。
利用CFD软件Fluent得到了OUC-TT-350翼型和荷兰DU35翼型的水动力学特性，如图5-6所示。从图中可以看出，DU35翼型的最大升力系数为0.8551，最大升阻比为4.4648，而OUC-TT-350翼型的最大升力系数和最大升阻比分别为1.0531、6.2295，最大升力系数和最大升阻比分别提高了23.16%和39.52%。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，其特征在于，采用Hicks-Henne型函数对翼型叶片进行参数化建模，通过控制翼型叶片的上翼面和下翼面关键点来控制翼型曲线，并且，翼型叶片的首尾两点是固定不变。
2.根据权利要求1所述的潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，其特征在于，
所述翼型叶片的上翼面的函数为：；
所述翼型叶片的上翼面的函数为：；
fk(x)为Hicks-Henne型函数，其表达式为：
，；
其中，y0top为初始上翼面函数，y0low为初始下翼面函数；x为翼型弦长，x取值范围在0~1之间；n为型函数数目；k为控制翼型厚度分布和弯度分布关键点的变量个数；ck为设计变量；0≤xk≤1。
3.根据权利要求1或2所述的潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，其特征在于，采用遗传优化算法来寻找约束条件下的最优翼型，其具体步骤如下：
步骤1、确定设计变量、目标函数和约束条件；
步骤2、生成初始种群；
步骤3、计算适应度值；
步骤4、比较并保存最佳个体；
步骤5、判断是否满足终止条件，若是，则得到优化翼型，若否则执行以下步骤；
步骤6、进行选择、交叉、变异操作生成新一代种群；然后执行步骤3、4、5。
4.根据权利要求3所述的潮流能水平轴水轮机用叶片翼型族设计方法，其特征在于，所述步骤1中确定设计变量具体为：选取上翼面和下翼面共14个型函数的系数ck作为优化设计变量，则设计变量为：
，
所述的目标函数为：
，
其中，CL为升力系数，CD为阻力系数；
所述约束条件包括变量边界约束条件，所述变量边界约束条件为：
，
14个设计变量的约束范围如下：
c1=[-0.007,0.008],c2=[-0.007,0.008],c3=[-0.01,0.01],c4=[-0.01,0.01],
c5=[-0.01,0.01],c6=[-0.005,0.006],c7=[-0.005,0.006],c8=[-0.008,0.009],
c9=[-0.008,0.009],c10=[-0.01,0.01],c11=[-0.01,0.01],c12=[-0.01,0,.01],
c13=[-0.006,0.007],c14=[-0.006,0.007]。
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