海流能發(fā)生器葉片翼型水動(dòng)力學(xué)性能分析

海流能發(fā)生器葉片翼型水動(dòng)力學(xué)性能分析

1海流能轉(zhuǎn)換中的失速特性由于海流能能量密度高、預(yù)測(cè)強(qiáng)、載荷穩(wěn)定、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外海流能開發(fā)利用的中心概念之一。其開發(fā)利用技術(shù)的主要特點(diǎn)是:通過利用海流以一定的速度和攻角沖擊流線型的海流能轉(zhuǎn)換器葉片以獲取水流動(dòng)能并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,用以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。因此,海流能轉(zhuǎn)換器葉片是海流能開發(fā)利用的核心組成部分,其水動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)劣成為海流能開發(fā)利用成功與否的關(guān)鍵。要提高海流能轉(zhuǎn)換器葉片的能量捕獲效率,關(guān)鍵要素之一就是要設(shè)計(jì)出高效的葉片結(jié)構(gòu)。葉片在強(qiáng)度滿足水下工作環(huán)境要求的前提下,既要有較高的升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)特性,還要有延遲的失速特性。失速是影響海流能轉(zhuǎn)化器葉片動(dòng)力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。葉片的失速特性與翼型密切相關(guān)。當(dāng)翼型攻角(α)增大到一定程度,水流在通過翼型的上翼面時(shí)就會(huì)產(chǎn)生邊界層分離。當(dāng)水流從翼型表面抬起時(shí),又會(huì)卷成一個(gè)封閉的分離漩渦,使翼型的升力減小,阻力增大造成失速。翼型的失速類型包括薄翼失速、前緣失速和后緣失速等。目前,對(duì)海流能的開發(fā)利用在我國(guó)以及國(guó)際上都還處于初始階段,是一個(gè)嶄新的課題。在葉片設(shè)計(jì)過程中,如何從葉片結(jié)構(gòu)上提高葉片的捕能效率并避免葉片的空化問題,尚未形成系統(tǒng)化的理論。從上世紀(jì)七十年代我國(guó)何世鈞工程師的螺旋槳葉輪機(jī)構(gòu)到近幾年浙江大學(xué)的“水下風(fēng)車”葉輪機(jī)構(gòu),或是沿用船用螺旋槳結(jié)構(gòu),或是采用目前研究比較成熟的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論,都未對(duì)海流能轉(zhuǎn)換器專用葉片的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入研究,這就大大影響了海流能轉(zhuǎn)換器的葉輪捕能效率。首先,船用螺旋槳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是基于船舶快速行進(jìn)的目的,其設(shè)計(jì)的額定工作轉(zhuǎn)速一般都比較高,根本不適合作為低速大扭矩的海流能轉(zhuǎn)換器的葉輪。另一方面如果完全照搬風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)技術(shù),由于水與空氣介質(zhì)特性的不同及其引起的葉片變形程度的不同,使設(shè)計(jì)出來的葉片結(jié)構(gòu)很可能達(dá)不到所期望的水動(dòng)力學(xué)要求。其次,在水中旋轉(zhuǎn)的葉片會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象,尤其葉片長(zhǎng)度比較大時(shí)空化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。針對(duì)這些問題,國(guó)際上一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)雖已經(jīng)做了一些相關(guān)研究,但是還不能夠形成海流能轉(zhuǎn)換器葉片的設(shè)計(jì)理論。因此,研究海流能轉(zhuǎn)換器葉片翼型在水流中的失速和水動(dòng)力特性對(duì)海流能的開發(fā)利用有著十分重要的意義。本文基于浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的海流能轉(zhuǎn)換器葉片,利用FLUENT流體模擬軟件對(duì)其NACA4415翼型在攻角分別為-4o、0o、4o、8o、14o、16o和20o時(shí)的升阻力特性和失速特性進(jìn)行二維數(shù)值模擬,得出翼型周圍流場(chǎng)的速度分布、壓力分布、翼型的失速特性以及水動(dòng)力特性與攻角α的關(guān)系,旨在為設(shè)計(jì)高效海流能轉(zhuǎn)換器葉片奠定理論基礎(chǔ)。2計(jì)算方法2.1k-紊流模型由于k-ε模型對(duì)于處理貼近壁面附近的流動(dòng)計(jì)算是很有效的,在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,故本模擬采用k-ε紊流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是由Launder等人在1972年提出來的,它是在紊動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上,引入關(guān)于紊動(dòng)能耗散率ε的方程后形成的雙方程模型,是目前使用最廣泛的紊流模型:ε方程其中μt為紊動(dòng)粘性系數(shù),Gk是紊動(dòng)能生成率,而方程中的模型常數(shù)取默認(rèn)值:2.2計(jì)算網(wǎng)格和控制方程采用FLUENT軟件的前處理軟件GAMBIT對(duì)NACA4415翼型進(jìn)行幾何建模,取其弦長(zhǎng)為1m。為了讓來流發(fā)展充分,避免由于計(jì)算區(qū)域過窄或過小而對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響,計(jì)算區(qū)域采用半圓加矩形區(qū)域,翼型上游半圓半徑為10倍弦長(zhǎng),翼型下游長(zhǎng)度和寬度同樣采用10倍弦長(zhǎng)。計(jì)算區(qū)域如圖1所示。由于網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要影響,所以計(jì)算前期采用不同網(wǎng)格數(shù)目對(duì)同一攻角下翼型特性進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比,結(jié)果表明計(jì)算區(qū)域整體采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,計(jì)算過程中,采用局部加密的方法,對(duì)翼型周圍流場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)一步加密,能夠很好的滿足計(jì)算要求,翼型計(jì)算網(wǎng)格局部放大圖如圖2所示。不同攻角情形下,本模擬所劃分網(wǎng)格數(shù)均為50050。計(jì)算區(qū)域的邊界包括固壁表面為無滑移條件的固壁邊界、速度進(jìn)口和自由出流出口。計(jì)算時(shí),設(shè)定無限遠(yuǎn)處水流來流速度為2m/s,通過旋轉(zhuǎn)翼型的方式來實(shí)現(xiàn)攻角的變化,計(jì)算的攻角分別為-4°、0°、4°、8°、14°、16°和20°。來流水流常溫下的粘性系數(shù)ν=1.004×10-6m2/s,設(shè)定雷諾數(shù)為1.992×106。計(jì)算基于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,并采用非平衡壁面函數(shù)的近壁面處理和二維穩(wěn)態(tài)分離解法的隱式解法。在控制方程的離散格式上,壓力插值采用Standard方式,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。為了提高計(jì)算精度,動(dòng)量方程、紊動(dòng)能k方程和耗散率ε方程均采用二階迎風(fēng)格式。流場(chǎng)的連續(xù)性、x和y方向的分量紊動(dòng)能k方程和耗散率ε的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為l×10-4。翼型計(jì)算中翼型的升阻力系數(shù)是重要計(jì)算結(jié)果之一,所以計(jì)算中還須打開翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的收斂監(jiān)測(cè)窗口,并且認(rèn)為殘差變化趨近于直線時(shí)的結(jié)果是收斂和可靠的。3結(jié)論分析3.1來流攻角的影響(1)對(duì)比速度等值線圖可知,隨著翼型攻角的增大,翼型前緣附近的等速線環(huán)發(fā)生了局部變化。失速前,翼型上表面的等速環(huán)逐漸擴(kuò)大,失速和深失速時(shí)該部分等速環(huán)會(huì)因局部表面渦的產(chǎn)生而減小。翼型下表面的等速環(huán)則對(duì)應(yīng)先減小后擴(kuò)大的變化趨勢(shì)。翼型前緣處的等速環(huán)也受到了一定程度的影響,但變化規(guī)律比較復(fù)雜,與前兩者均相關(guān)。(2)當(dāng)翼型攻角為-4度時(shí),如圖3(a)所示,翼型上下表面速度等值線場(chǎng)近似相同,表明翼型在該攻角下受到的合力近似為零,此點(diǎn)與翼型的零升力線理論相符。當(dāng)翼型攻角為14度時(shí),如圖3(g)所示,翼型上表面的等速環(huán)縮小,并靠近前緣部分,在后緣部分翼型表面附近出現(xiàn)了不規(guī)則的等速環(huán),且速度較低。翼型下表面的等速環(huán)被推移到翼型的后緣,并且變扁大。(3)隨著翼型攻角的不斷增大,計(jì)算區(qū)域內(nèi)的最大速度值增大,最大流速由攻角為-4度時(shí)的2.803204m/s,增加到攻角為20度時(shí)的3.969553m/s,這與翼型的失速理論相符。(4)當(dāng)翼型來流攻角為0度時(shí),情況就不同了,如圖3(d)所示,來流沿翼型上下表面流過,幾乎沒有邊界層分離現(xiàn)象產(chǎn)生。然而當(dāng)翼型攻角不為0度時(shí),情況就不同了:當(dāng)來流攻角為負(fù)攻角時(shí),如圖3(b)所示,翼型上下表面均有輕微的分離現(xiàn)象產(chǎn)生,且下表面比上表面的分離現(xiàn)象略微明顯;當(dāng)來流攻角為正攻角時(shí),如圖3(f~j)所示,隨著來流攻角的增大,翼型上表面來流分離現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,但下表面均無分離現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)攻角達(dá)到14度時(shí),在翼型上表面后緣處有很明顯的漩渦形成。攻角大于14度之后,隨著攻角的增加,流體與翼型表面的分離現(xiàn)象更加明顯,而且邊界層分離現(xiàn)象向上游逐漸擴(kuò)展。在攻角為20度時(shí),大概在距前緣12處就發(fā)生了邊界層分離現(xiàn)象,而且在翼型上表面有二次漩渦形成。3.2翼型攻角的影響翼型壓力分布特性通常用無量綱壓力系數(shù)Cp表示,式中v∞為來流速度,p∞為來流靜壓。圖4所示是攻角為-4°、0°、14°和20°攻角情形翼型上下表面壓力系數(shù)分布曲線的計(jì)算結(jié)果。由圖4可知,隨著翼型攻角的增大,翼型上下表面壓力系數(shù)曲線由交叉變?yōu)槊黠@分離,且與翼型上表面的壓力系數(shù)相比,翼型下表面的壓力系數(shù)逐漸變小。一方面,這意味著翼型下表面的平均靜壓絕對(duì)值要大于翼型上表面的平均靜壓絕對(duì)值,即翼型的升力大于阻力,翼型受到指向翼型上表面的合力;另一方面,這意味著翼型上表面的平均水流流速要明顯高于翼型下表面的平均水流流速。當(dāng)翼型攻角為-4°時(shí),翼型上下表面的壓強(qiáng)近似相等,這與零升力線的理論相符。當(dāng)翼型攻角為14°時(shí),翼型上表面的壓強(qiáng)先增大后減小,其原因是因?yàn)槭?翼型表面局部產(chǎn)生了漩渦。3.3來流攻角對(duì)翼型表面的影響由圖4可知,當(dāng)翼型的來流攻角處于-4°到14°區(qū)間時(shí),翼型的升力系數(shù)一直增大,其原因是隨著攻角的增大,翼型下表面受到的力逐漸增大,而上表面受力逐漸減小造成的。當(dāng)來流攻角在14°至20°區(qū)間內(nèi)時(shí),翼型的升力系數(shù)減小,其原因是由于14°左右為翼型的失速攻角,當(dāng)來流攻角大于14°時(shí),翼型上表面的水流脫離翼型表面形成漩渦,致使翼型受到的升力減小,阻力增大。該計(jì)算結(jié)果與翼型動(dòng)力特性曲線吻合很好。由圖5可知,翼型在攻角為0°和8°情形下為全附著流動(dòng),翼型上下表面均沒有發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。隨著攻角的增大,翼型上表面來流分離現(xiàn)象越來越明顯,當(dāng)攻角達(dá)到14°度時(shí),在翼型上表面后緣處有很明顯的漩渦形成。攻角大于14°之后,翼型尾緣上表面分離流動(dòng)越來越嚴(yán)重,漩渦越來越大,且逐漸向翼型前緣處發(fā)展,這使得速度降低,翼型表面環(huán)量降低,升力減小,阻力增加。攻角達(dá)到20°時(shí),分離渦在后緣誘導(dǎo)出反向的尾緣分離渦,翼型上表面存在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的尾緣分離漩渦,此時(shí)翼型表面環(huán)量繼續(xù)降低,升力也繼續(xù)降低,但翼型下表面均無分離現(xiàn)象發(fā)生。3.4翼型攻角對(duì)翼型升力系數(shù)的影響翼型剖面的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd是翼型動(dòng)力特性的重要指標(biāo),它們的定義是式中:ρ為流體密度;v∞為無窮遠(yuǎn)來流速度;l為弦長(zhǎng);Fl和Fd為翼型的升力和阻力。數(shù)值計(jì)算時(shí),在來流方向不變的情況下,通過改變翼型攻角來得到不同攻角情形下的翼型的升阻力系數(shù)值。在直角坐標(biāo)系下,圖6給出了翼型的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd與攻角α的關(guān)系曲線。由圖6可知:(1)當(dāng)翼型的來流攻角從-4°變化到14°時(shí),翼型的升力系數(shù)隨著攻角α的增大而增大,而且近似呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)攻角大于14°之后,隨著攻角的進(jìn)一步增大,升力系數(shù)出現(xiàn)減緩甚至減小的趨勢(shì)。(2)翼型的阻力系數(shù)隨著攻角α的增大,也逐漸增大,近似呈二次拋物線形式。通過擬合各點(diǎn)數(shù)值可以得到阻力系數(shù)Cd和攻角α的關(guān)系曲線,綜上可知,海流能轉(zhuǎn)換器葉片翼型達(dá)到最佳升阻力特性攻角(即葉片翼型捕獲海流能效率最高的攻角)為14°。4amapx-rs實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)是在浙江工業(yè)大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室大型有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)裝置主要是由渦輪機(jī)組成,其海流能轉(zhuǎn)換器的葉片是由不銹鋼板經(jīng)數(shù)控機(jī)床精加工制成。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行由兩臺(tái)并聯(lián)變頻水泵為水槽供水,流速由SonTek聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(ADV)量測(cè),轉(zhuǎn)速用PHOTRONFASTCAMAPX-RS高速攝影機(jī)在HMI-DCI1000W無頻閃光源下觀察記錄,實(shí)驗(yàn)裝置照片如圖7。本實(shí)驗(yàn)通過研究自由流情形相對(duì)于水流來流方向的偏流角α分別為-10°、-5°、0°、5°、10°和15°情形下渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,旨在揭示海流能轉(zhuǎn)換器葉片翼型的動(dòng)力特性與攻角的關(guān)系。為便于對(duì)各偏流角之下轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析,需對(duì)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無量綱化處理。為此以偏流角為-10°時(shí)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速n0為基數(shù)進(jìn)行無量綱化處理。圖8給出渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速與偏流角的關(guān)系。由圖8可知,偏流角從-10°增大到5°時(shí),渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加;偏流角大于5o之后,渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降。這與葉片翼型的攻角有關(guān)。當(dāng)偏流角為5°時(shí),該翼型葉片的升阻力特性最好,偏流角大于5°之后,受葉片失速特性的影響,渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降。由于本實(shí)驗(yàn)所用葉片的安裝攻角為10°,綜上可知該翼型葉片升阻力特性最佳的攻角為15°,這與本文數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好。5模擬計(jì)算結(jié)果通過