CN115577465A - 基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法 - Google Patents

基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，包括步骤：获取原型叶片设计参数；计算和选定至少一个后掠长度；选取多个后掠角；建立原型叶片模型和多个仿生洋流发电机叶片模型；通过数值模拟方法计算获得所述原型叶片和各仿生洋流发电机叶片的叶轮的扭矩；计算并对比原型叶片的功率系数和各所述仿生洋流发电机叶片的功率系数；选取功率系数大于原型叶片的仿生洋流发电机叶片。本发明的目的是提供基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，仿照猫头鹰翅膀结构设计了带有后掠部的洋流发电机叶片，可获得功率系数大于原型叶片功率系数的仿生洋流发电机叶片的后掠长度和后掠角范围。

Description

基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法
技术领域
本发明属于洋流发电技术领域，具体为基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法。
背景技术
化石能源的有限性和应用导致的污染问题是当代全球关切的问题，新能源的开发势在必行。我国具有非常丰富的海洋能资源，如果利用洋流进行产业化发电具有十分优越的地理条件。叶片是洋流发电机组最为关键的核心部件，叶片暴露于腐蚀性海水中，是承受海波和洋流复杂耦合载荷的部件，其可靠性和工作效率对能否实现洋流能的有效开发利用至关重要。
现有的洋流发电机叶片的设计大多参考风力发电机叶片的设计经验，因此，它们的外部形状非常相似。但是洋流发电机叶片所处介质为海水，风力发电机所处介质是空气，海水和空气的粘性不一样，导致相同叶片在海水中和空气中的运转效率不一样。图1是现有风力发电用的原型叶片，将其作为洋流发电机叶片时，叶尖明显会产生空泡，导致叶轮的效率降低。
另外，洋流发电机组是在接近水面的水下工作，在其工作过程中，叶片表面压力在叶片旋转和海波扰动的作用下，会出现周期性的压力脉动，从而引发叶片叶尖表面的汽蚀现象，导致叶片结构发生汽蚀损伤。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，仿照猫头鹰翅膀结构设计了带有后掠部的洋流发电机叶片，所述设计方法通过计算和仿真软件实现，可获得功率系数大于原型叶片功率系数的仿生洋流发电机叶片的后掠长度和后掠角范围。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，包括
步骤S1：获取原型叶片设计参数；
步骤S2：计算和选定至少一个后掠长度；
步骤S3：在0～90°范围内选取多个后掠角；
步骤S4：建立原型叶片模型，以一个后掠长度和一个后掠角为一组后掠结构参数，得到多组后掠结构参数，基于所述原型叶片和每组后掠结构参数建立多个仿生洋流发电机叶片模型；
步骤S5：通过数值模拟方法计算获得所述原型叶片和各仿生洋流发电机叶片的叶轮的扭矩；
步骤S6：计算并对比原型叶片的功率系数和各所述仿生洋流发电机叶片的功率系数；
步骤S7：当所述仿生洋流发电机叶片的功率系数大于原型叶片的功率系数时，此仿生洋流发电机叶片则可作为最终选定的仿生洋流发电机叶片。
作为上述技术方案的进一步改进：
步骤S3中，通过二分法查找选取多个后掠角。
所述原型叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离等于所述仿生洋流发电机叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离。
所述仿生洋流发电机叶片包括主体和后掠部，主体和后掠部一体连接，主体和后掠部的分界面为第二截面，第二截面和所述仿生洋流发电机叶片叶尖一端端面之间的部分为后掠部，第二截面和所述仿生洋流发电机叶片叶尖一端端面之间的距离为后掠长度。
设所述原型叶片上有第三截面，第三截面和所述原型叶片叶尖一端端面平行间隔布置，所述第三截面和所述原型叶片叶尖一端端面的距离为后掠长度，主体的结构和所述原型叶片叶跟一端端面到所述第三截面之间的结构相同。
步骤S2中，后掠长度L的计算和选择公式为L＝L4n1/n2，其中，n1、n2为自然数，1≤n1≤n2，n2＝5～20，L4为所述原型叶片的叶尖一端端面与尾缘最凹处所在截面之间的距离。
步骤S6中，
Figure BDA0003839811670000021
A＝πR2
Figure BDA0003839811670000022
所述多个叶片连接在轮毂上形成叶轮，
其中，ω表示叶轮的转动角速度；ρ表示流体的密度；A表示转子的扫掠面积；R表示轮毂的中心点与后掠曲线和叶片叶尖一端端面的交点两点之间的距离；U∞表示入口洋流速度，后掠曲线为后掠部各截面翼型气动中心的连线，L1为所述叶轮的所述轮毂中心点到叶根一端端面之间的距离，L2为叶片叶根一端端面到尾缘最凹处所在截面之间的距离，对于所述原型叶片，L3为尾缘最凹处所在截面到第三截面的距离，对于所述仿生洋流发电机叶片，L3为尾缘最凹处所在截面到第二截面的距离。
所述仿生洋流发电机叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离等于2.86m。
后掠长度L＝0.272m时，后掠角β＝0～47.8°；后掠长度L＝0.544m时，后掠角β＝0～45.31°；后掠长度L＝1.088m时，后掠角β＝0～45.31°；后掠长度L＝1.36m时，后掠角β＝0～42.59°。
后掠长度L＝0.544m，β＝28.88°。
本发明的有益效果是：仿照猫头鹰翅膀结构设计了带有后掠部的洋流发电机叶片，所述设计方法通过计算和仿真软件实现，无需耗费原料等，成本较低，可以获得功率系数大于原型叶片功率系数的仿生洋流发电机叶片的后掠长度和后掠角范围，并在所述后掠长度和后掠角范围内找出功率系数较大值，所述仿生洋流发电机叶片基于标准叶片改进获得，与原型叶片相比，所述仿生洋流发电机叶片在基本不改变扫掠面积的前提下、在叶片发生空化后，其功率系数仍高于标准叶片，如此可以提高所述洋流发电机转子的工作效率、增大洋流发电机的功率系数，所述洋流发电机叶片制造简单，与标准叶片相比不会增加太高成本。
附图说明
图1是猫头鹰示意图。
图2是图1的经图像处理后的示意图。
图3是图1所示猫头鹰的轮廓线条示意图。
图4是本发明的设计方法流程图。
图5是本发明一个实施例的原型叶片结构示意图。
图6是本发明一个实施例的基于原型叶片的叶轮结构示意图。
图7是本发明一个实施例的仿生洋流发电机叶片结构示意图。
图8是本发明一个实施例的基于仿生洋流发电机叶片的叶轮结构示意图。
图9是本发明一个实施例的原型叶片和一个仿生洋流发电机叶片在不同叶尖速比情况下的功率系数对比图。
图10是本发明一个实施例的仿生洋流发电机叶片的后掠部速度分解示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，猫头鹰翅膀形态如图1～3所述，研究发现，猫头鹰具有飞行速度快(达45km/h)、飞行平稳、静音飞行等特性，这说明它的翅膀能一定程度克服空气的干扰，或说捕获空气能量，具备优越稳定等性能。猫头鹰的翅膀具有长而窄的特点，具有后掠结构，后掠结构位于翅尖一端，而对于洋流发电机的叶片，其叶尖的性能直接影响着洋流发电机的工作效率。基于此，仿照猫头鹰的翅膀特性，设计带有后掠结构的洋流发电机叶片，旨在提高叶片的能量捕获效率，从而增加洋流发电机的功率输出。
所述设计方法如图4所示，包括如下步骤：
步骤S1：获取原型叶片设计参数。
原型叶片可采用现有技术的洋流发电机叶片。
本实施例中，使用的原型叶片结构如图5所示，多个所述原型叶片的叶根连接在轮毂g上形成的叶轮如图6所示，所述原型叶片设计参数如表1所示，根据表1的参数可以设计和制作所述原型叶片。
表1：原型叶片外形设计参数
Figure BDA0003839811670000041
Figure BDA0003839811670000051
需要说明的是，表1中的设计参数展长为0m处为轮毂g中心点O1。
所述原型叶片无后掠结构。根据流体的流动方向来判断，流体从前缘q流入叶片通道，从尾缘w流出。所述原型叶片的前缘q较平缓、尾缘w较前缘q更陡峭。其中，沿着所述展向方向，尾缘w先下降再上升，即所述尾缘w走势形状类抛物线，有一最凹处。
设所述原型叶片的叶根一端为A’端、叶尖一端为B’端，则所述A’端端面和所述B’端端面平行间隔布置，所述A’端端面的形状为圆形；所述B’端端面是翼型。设所述尾缘w最凹处所在截面为第一截面y，所述第一截面y和所述A’端端面平行。设所述原型叶片上有第三截面s，第三截面s和所述A’端端面平行间隔布置，第三截面s位于第一截面y和所述B’端端面之间。
对于所述原型叶片，设所述轮毂g中心点O1到叶根一端端面之间的距离为L1，所述A’端端面到第一截面y的距离为L2，所述第一截面y到第三截面s的距离为L3，所述第三截面s到所述B’端端面的距离为L。由表1可知所述B’端端面所在展长r＝L1+L2+L3+L＝3.2m。本实施例中，所述原型叶片的第一截面y所在处展长r＝L1+L2＝0.752m。
步骤S2：计算和选定至少一个后掠长度L。
后掠长度L的计算和选定公式为：
L＝L4n1/n2
L4＝L3+L
其中，n1、n2为自然数，1≤n1≤n2，n2＝5～20。
L4为所述第一截面y与所述B’端端面之间的距离，或说为所述B’端端面所在展长减去所述第一截面y所在展长。
上述公式可以理解为，将原型叶片所述第一截面y和所述B’端端面之间的部分等分为n2份，设每一份的长度为单位长度，则后掠长度L等于所述单位长度，或为所述单位长度的整数倍。
由表1可知，本实施例中，所述第一截面y经过扭转角19°处，对应此处展向r＝0.752m，则L4＝3.2-r＝2.448m。
本实施例中，取n2＝9，n1取1、2、4、5四个数值，获得四个后掠长度L的值，见表2所示。
表2后掠长度L计算表
n<sub>2</sub> 9 9 9 9
n<sub>1</sub> 1 2 4 5
后掠长度L(m) 0.272 0.544 1.088 1.36
后掠长度L显然小于L4。上述n2取5至20之间的自然数，是基于实际经验评估，将L4等分为5～20，再结合n1的补充，可以更细化后掠长度L的验证和计算范围。
步骤S3：通过二分法查找选取多个后掠角β。
本步骤中，0°＜β＜90°。
步骤S4：建立原型叶片模型，以一个后掠长度L和一个后掠角β为一组后掠结构参数，得到多组后掠结构参数，基于所述原型叶片和各组后掠结构参数建立多个仿生洋流发电机叶片模型。
如图7和图8所示，所述仿生洋流发电机叶片包括主体1和后掠部2，主体1和后掠部2一体连接。所述叶片的叶根一端为A端、叶尖一端为B端，主体1和后掠部2的分界面为第二截面e。所述A端端面和所述第二截面e之间的结构为主体1，所述第二截面e和所述B端端面之间的结构为后掠部2。所述A端端面、所述B端端面和第二截面e三者是平行的。所述A端端面的形状为圆形；所述B端端面是翼型。
主体1的结构和所述原型叶片对应部分的结构相同，换句话说，主体1的结构和所述原型叶片的所述A’端端面至所述第三截面s之间的结构相同，所述A’端端面和所述第三截面s之间的距离与仿生洋流发电机叶片的所述A端端面和所述第二截面e之间的距离相等。即从所述A端端面至所述第二截面e，主体1的各个叶素的弦长C和扭转角θ与原型叶片一致。即，主体1上有第一截面y。
由上述原型叶片尺寸可知，对于所述仿生洋流发电机叶片连接在轮毂g上形成的叶轮，显然所述轮毂g中心点O1到叶根的距离为L1，所述A端端面和第一截面y之间的距离为L2，所述第一截面y和第二截面e之间的距离为L3，所述第二截面e和所述B端端面之间的距离为L。即原型叶片的所述A’端端面到B’端端面的距离等于所述仿生洋流发电及叶片的所述A端端面到B端端面的距离。本实施例中，L1+L2+L3+L＝3.2m。
后掠部2采用了猫头鹰翅膀的后掠结构元素。
后掠部2包括两个参数，后掠长度L和后掠角β，其中，0°＜β＜90°，后掠部2表现为向着所述尾缘一侧倾斜。通过这两个参数即可确定后掠部2。后掠长度L即为所述B端端面和所述第二截面e之间的距离。后掠角β为主体1的俯仰轴11与后掠部2的后掠曲线21之间的夹角，俯仰轴11为主体1各截面翼型气动中心的连线，后掠曲线21为后掠部2各截面翼型气动中心的连线。本实施例中，各翼型截面的气动中心在四分之一的翼型弦长处。
由上可知，每一个后掠长度L可以分别和多个后掠角β配合形成多组后掠结构参数。
步骤S5：通过数值模拟方法获得所述原型叶片和各仿生洋流发电机叶片的叶轮的扭矩T。
本实施例中，采用Fluent软件进行建模和数值模拟，包括如下步骤：
步骤S51：基于CFD数值模拟方法、采用流体仿真软件对所述洋流发电机叶片和原型叶片分别建立模型。
步骤S52：采用流体仿真软件对步骤S51建立的两模型进行网格划分。
步骤S53：对步骤S52进行网格划分后的两个模型进行Fluent方程求解，获得每次计算的叶轮的扭矩T的值。
步骤S53的求解过程中，边界条件：入口边界：velocity-inlet，出口边界：pressure-out，叶片表面为wall，旋转域和静止域的交界面为INTERFACE。本实施例中，设置的求解方法为coupled算法。
步骤S6：计算并对比原型叶片的功率系数CP和各所述仿生洋流发电机叶片的功率系数CP，
Figure BDA0003839811670000081
A＝πR2
Figure BDA0003839811670000082
其中，ω表示叶轮的转动角速度；ρ表示流体的密度；A表示转子的扫掠面积；R表示轮毂g的中心点O1与后掠曲线21和所述B端端面的交点O2两点之间的距离；U∞表示入口洋流速度。ω和U∞可根据实际情况在计算时选取不同的值。对于原型叶片，显然β＝0。
功率系数CP表示洋流发电机将洋流能转换为机械能的效率。显然功率系数CP越大表示洋流发电机性能越好。
步骤S7：当所述仿生洋流发电机叶片的功率系数大于原型叶片的功率系数时，此仿生洋流发电机叶片则可作为最终选定的仿生洋流发电机叶片。
由上可知，在同一原型叶片的基础上，每一种所述仿生洋流发电机叶片都是后掠角β和后掠长度L共同组合确定的。经过上述计算发现，在后掠长度L不变的情况下，随着后掠角β的增加，功率系数CP呈现先增加后减小的趋势，当后掠角β增加至一定值时，仿生洋流发电机叶片的功率系数CP会低于原型叶片的功率系数CP。
本实施例中，计算的四种后掠长度L，每一种后掠长度L下的功率系数CP大于原型叶片功率系数CP的仿生洋流发电机叶片的后掠角β的范围见表3所示。
表3功率系数CP大于原型叶片的仿生洋流发电机叶片的后掠角范围和后掠长度
后掠长度L(m) 0.272 0.544 1.088 1.36
后掠角β(°) 0～47.8 0～45.31 0～45.31 0～42.59
本实施例中，基于所述原型叶片，计算得到的最佳设计参数为：后掠长度L＝0.544m和后掠角β＝28.88°。此最佳设计参数下，对应仿生洋流发电机叶片的功率系数CP为表3所示的范围内的较大值。
实际使用过程中，即使来流速度不变，如果来流方向改变了，叶轮转速也会发生改变。或者来流带动叶轮转动太快，根据实际需要人为增加阻力降低叶轮转速。即来流速度不变时，叶轮转速可能不同。因此，为了预测叶轮在不同叶尖速比或说叶轮转动角速度ω下的性能，通过数值模拟计算了原型叶片和基于上述原型叶片的后掠长度L＝0.544m、后掠角β＝28.88°的仿生洋流发电机叶片的功率系数，并进行了对比。如图9所示，为本实施例原型叶片和基于上述原型叶片的后掠长度L＝0.544m、后掠角β＝28.88°的仿生洋流发电机叶片的功率系数对比图。考虑叶片的空化后，在洋流速度为1.2m/s，即U∞＝1.2m/s时，不同的叶轮转动角速度ω或说不同的叶尖速比下，所述仿生洋流发电机叶片的功率系数较原型叶片高。其中，在叶尖速比为3.35时，仿生洋流发电机叶片的功率系数较原型叶片增加了9.75％。
在数值仿真中，叶片计算可以仅仅考虑叶轮转动的湍流流动，添加湍流方程求解。但对于大型的洋流发电机叶片，在旋转过程中不可避免产生空化现象，因此需要考虑空化，本方案在添加湍流方程的同时还添加了空化模型，计算的结果更加符合实际情况。
另外，洋流发电机叶片旋转时，叶尖处的速度是最大的，叶尖也是空化现象发生最严重的区域。而对于叶片表面空化的发生条件是叶片表面的压力低于当前液体温度的饱和蒸气压。基于此，可以这样说，叶片表面的压力越大越不容易发生汽蚀。如图10所示，在叶片发生旋转时，后掠部2处的速度V1会分解成平行于后掠曲线21的V3和垂直于后掠曲线21的V2，V2的值小于V1，根据伯努利方程，速度小，压强会大。因此，仿生叶片后掠部2的压力较原型叶片大，该结果与数值研究结果是一致的。因此所述仿生洋流发电机叶片较原型叶片具有一定的抗汽蚀效果。
所述空化是一种现象，常常伴随着水下旋转机械转动而发生，空化的发生过程也称为相变过程，即液体转化为水蒸气，这种水蒸气在此处称为空泡。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于猫头鹰翅膀特征的仿生洋流发电机叶片的设计方法，其特征在于，包括
步骤S1：获取原型叶片设计参数；
步骤S2：计算和选定至少一个后掠长度(L)；
步骤S3：在0～90°范围内选取多个后掠角(β)；
步骤S4：建立原型叶片模型，以一个后掠长度(L)和一个后掠角(β)为一组后掠结构参数，得到多组后掠结构参数，基于所述原型叶片和每组后掠结构参数建立多个仿生洋流发电机叶片模型；
步骤S5：通过数值模拟方法计算获得所述原型叶片和各仿生洋流发电机叶片的叶轮的扭矩(T)；
步骤S6：计算并对比原型叶片的功率系数(CP)和各所述仿生洋流发电机叶片的功率系数(CP)；
步骤S7：当所述仿生洋流发电机叶片的功率系数大于原型叶片的功率系数时，此仿生洋流发电机叶片则可作为最终选定的仿生洋流发电机叶片。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤S3中，通过二分法查找选取多个后掠角(β)。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述原型叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离等于所述仿生洋流发电机叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述仿生洋流发电机叶片包括主体(1)和后掠部(2)，主体(1)和后掠部(2)一体连接，主体(1)和后掠部(2)的分界面为第二截面(e)，第二截面(e)和所述仿生洋流发电机叶片叶尖一端端面之间的部分为后掠部(2)，第二截面(e)和所述仿生洋流发电机叶片叶尖一端端面之间的距离为后掠长度(L)。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：设所述原型叶片上有第三截面(s)，第三截面(s)和所述原型叶片叶尖一端端面平行间隔布置，所述第三截面(s)和所述原型叶片叶尖一端端面的距离为后掠长度(L)，主体(1)的结构和所述原型叶片叶跟一端端面到所述第三截面(s)之间的结构相同。
6.根据权利要求4或5所述的设计方法，其特征在于：步骤S2中，后掠长度(L)的计算和选择公式为L＝L4n1/n2，其中，n1、n2为自然数，1≤n1≤n2，n2＝5～20，L4为所述原型叶片的叶尖一端端面与尾缘最凹处所在截面之间的距离。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：步骤S6中，
Figure FDA0003839811660000021
A＝πR2
Figure FDA0003839811660000022
所述多个叶片连接在轮毂(g)上形成叶轮，
其中，ω表示叶轮的转动角速度；ρ表示流体的密度；A表示转子的扫掠面积；R表示轮毂(g)的中心点(O1)与后掠曲线(21)和叶片叶尖一端端面的交点(O2)两点之间的距离；U∞表示入口洋流速度，后掠曲线(21)为后掠部(2)各截面翼型气动中心的连线，L1为所述叶轮的所述轮毂(g)中心点(O1)到叶根一端端面之间的距离，L2为叶片叶根一端端面到尾缘最凹处所在截面之间的距离，对于所述原型叶片，L3为尾缘最凹处所在截面到第三截面(s)的距离，对于所述仿生洋流发电机叶片，L3为尾缘最凹处所在截面到第二截面(e)的距离。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述仿生洋流发电机叶片叶根一端端面与叶尖一端端面的距离等于2.86m。
9.根据权利要求7或8所述的设计方法，其特征在于：后掠长度L＝0.272m时，后掠角β＝0～47.8°；后掠长度L＝0.544m时，后掠角β＝0～45.31°；后掠长度L＝1.088m时，后掠角β＝0～45.31°；后掠长度L＝1.36m时，后掠角β＝0～42.59°。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：后掠长度L＝0.544m，β＝28.88°。
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