海流能發(fā)電裝置葉片性能及氣蝕研究

海流能發(fā)電裝置葉片性能及氣蝕研究Research on the Blade Performance and Cavitation of Generate Electricity Equipment by Energy of Ocean Current摘要：對水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電裝置葉片的升阻系數(shù)特性及氣蝕特性進行了數(shù)值模擬研究，研究結果與文獻的試驗結果較好地吻合，并得出了結論。關鍵詞：海流能發(fā)電裝置； 葉片性能；氣蝕；仿真研究Abstract: Numerical Simulation and research on the rising-resistance coefficient Characteristic and Cavitation characteristic are carried out for blade of generate electricity equipment by energy of ocean current with level-screw type. The research result is accordance with the test result . The conclusion is obtained.Key words: generate electricity equipment by energy of ocean current； blade performance；cavitation ; simulation research1 概述7在開發(fā)綠色新能源的過程中，海洋能的開發(fā)利用被認為有巨大開發(fā)潛力，作為海洋能的一種海流能，人類可以像風力機捕獲風能一樣來捕獲海流能1-2。如圖1所示為用于捕獲海(潮)流能的水下風車裝置，利用海流以一定的速度和攻角沖擊流線型的槳葉，通過變速機構，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。*基金項目：國家自然科學基金資助（50505043）；浙江省重大科技攻關項目（2006C11012）.收稿日期：2007-12-29 杭州市 310027要提高該類型裝置的能量捕獲效率，關鍵要素之一就是要設計出高效的葉片結構。葉片在強度滿足水下工作環(huán)境要求的前提下，既要有較高的升力系數(shù)特性，又要有較低的阻力系數(shù)和延遲的失速特性；同時還需防止葉片氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生，這是一個不同于風力機的問題。葉片在水中旋轉，易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，破裂的氣泡對槳葉的沖擊損壞表面的防腐層，加速槳葉的腐蝕，也會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲。 本文對葉片的升阻系數(shù)特性及氣蝕特性進行數(shù)值模擬研究，旨在對解決上述問題作有益的探討。 圖1“水下風車”示意圖2 葉片結構對升阻系數(shù)的影響水平軸螺旋槳式海流能發(fā)電裝置的葉片所處的水動力學環(huán)境與風力機或機翼的空氣動力學環(huán)境有相似之處，也有其自身的特點，所以一方面要借鑒風力機翼型理論，另一方面也要結合具體的水工作環(huán)境對其進行研究。國內(nèi)外關于翼型繞流以及流體和機翼相互作用問題的研究包括理論研究、數(shù)值模擬和試驗3個方面。基于水下風車葉片與風力機葉片相似的特點均采用大的高寬比結構，它的基本性能可以很好地通過葉素動量（Blade Element Momentum）理論來模擬分析3。葉片表面的三維不可壓縮定常粘性流在柱面坐標下的流動控制方程為(1) (2) （3）式中為流體密度；為速度矢量沿軸的3個速度分量；為柱坐標3個坐標軸；為流體壓力；為動力粘度。對于一個旋轉系統(tǒng)，通過對式（1）式（3）積分，可得沿水流方向和垂直于水流方向的動量積分方程5： （4）（5）圖3 升力系數(shù)曲線式中為邊界層動量厚度；為邊界層形狀系數(shù)；為邊界層邊緣速度；為表面摩擦因數(shù)；為葉輪旋轉速度；為邊界層位移厚度；為邊界層厚度；為流體沿翼型表面的脫落點。當流體流過葉片時會產(chǎn)生分離的現(xiàn)象，從而對葉片產(chǎn)生持續(xù)的作用力；同時在葉片的后部會有漩渦脫落的現(xiàn)象產(chǎn)生，特別當葉片后部兩側交替產(chǎn)生的漩渦周期性脫落會對葉片產(chǎn)生與來流方向垂直的周期性作用力時，持續(xù)和脈動流體力的作用會使葉片產(chǎn)生疲勞、振動和噪聲，嚴重時會使葉片破壞；反之葉片也會影響流場的分布，實際上對于有限翼展的葉片，其上下表面壓差產(chǎn)生了使葉片旋轉的升力，同時由于水流企圖從高壓側流向低壓側，所以在葉片的后緣處(見圖2)及兩端形成渦流，渦流造成阻力的增加，即引起一個誘導阻力。圖2翼型渦流升力系數(shù)和阻力系數(shù)是表征葉片性能的重要參數(shù)，文獻6從試驗測量的角度研究了葉片升力系數(shù)(Cl)、阻力系數(shù)(Cd)及葉片表面的壓力分布特性；文獻4則試驗研究了“水下風車”（Marine Current Turbine）在不同流速、不同壓力環(huán)境下的功率系數(shù)、扭矩系數(shù)(Ct)與葉輪尖速比(TSR)的關系。隨著計算流體力學技術的成熟，通過數(shù)值模擬方法獲取葉片的各種性能參數(shù)越來越得到應用。翼型的雷諾數(shù)計算如下：Re式中V為流動的特征速度，這里取4m/s(為了與文獻6的試驗結果對比)；l為流動的特征長度，這里取葉片弦長0.23m (取該值同樣是為了與文獻6的試驗結果對比)；為流體的運動粘度，對于水=1.00710-6 m2/s。圖3和圖4為二維翼型NACA63-215在Fluent軟件中求得的升力系數(shù)、阻力系數(shù)圖，與文獻6中試驗結果對比，二者非常好地實現(xiàn)吻合；但在仿真過程中湍流模型的選擇是個非常重要的問題，在仿真中，小攻角時采用標準的k-e模型，并采用非平衡壁面函數(shù)的近壁面圖4 阻力系數(shù)曲線圖5 不同翼型的升力系數(shù)曲線處理，該模型對于處理貼近壁面附近的流動計算是很有效的；當大攻角時，在考慮流體分離及回流現(xiàn)象的基礎上，采用k-模型。仿真結果表明用數(shù)值模擬的方法也可以獲得葉片翼型合理的升阻特性。下面以NACA2415、NACA 4415、NACA4424、 NACA2411為例研究翼型的彎度、厚度對升阻特性的影響，同時通過所得的葉片表面壓力系數(shù)分布研究葉片的氣蝕現(xiàn)象，通過分析力求可以獲得既提高葉片性能又降低葉片氣蝕發(fā)生的合理結構。對圖5和圖6中不同翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線分析，對相同厚度(15%倍弦長)的NACA 4415和NACA 2415翼型，NACA 2415的升力系數(shù)要小于NACA 4415，而其阻力系數(shù)基本相當，即同等厚度下，適當彎度的增加(NACA 2415的彎度要小于NACA 4415)可以增大升力系數(shù)而維持阻力系數(shù)基本不變；再比較同等彎度但不同厚度的NACA 4415與NACA 4424翼型及NACA 2415和NACA 2411翼型，結果表明大的厚度在減小升力系數(shù)的同時也增大了阻力系數(shù)，這對葉片的性能是不利的，但隨著彎度的降低，厚度對阻力系數(shù)的影響逐漸減小。葉片的形狀主要根據(jù)動力學性能和結構設計來確定。為了盡可能地提高葉片效率，就要增大葉片的升力系數(shù)Cl工作范圍和攻角變化范圍，同時結構上也要盡量避免氣蝕的發(fā)生。從效率的角圖6 不同翼型的阻力系數(shù)曲線度看，要減小阻力系數(shù)Cd，而從結構強度上考慮，又需要有較厚的截面，尤其在葉片根部，而這又會導致較高的阻力系數(shù)，所以在選擇葉片翼型時，要有合適的彎度，同時在保證葉片結構強度的前提下，應選用較小的厚度。3 葉片的氣蝕特性研究不同壓力下，水的汽化溫度是不同的，在常溫下，當葉片的局部壓力達到或低于水的汽化壓力時，葉片就會發(fā)生氣蝕；這是因為葉片工作時，葉元體的迎流面的壓力較高，而葉背處壓力較低，同時不同葉輪半徑處的攻角和入流速度是不同的，迎流速度的提高和攻角的增大使葉背處的壓降更加明顯，所以氣蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)與否可以根據(jù)葉片周圍局部壓力分布的大小來判斷。汽化系數(shù)常被用來表征葉片結構是否發(fā)生氣蝕，它被定義為(6)而結構物周圍的壓力系數(shù)定義為式中 p0 參考靜壓力，等于patm+gh，Papatm大氣壓力，PapV 汽化壓力，Pa 水的密度，kg/m3h水的深度，mV 自由來流的速度，m/spL 局部壓力，Pa圖8 不同翼型的壓力系數(shù)比較 當pLpV或Cp時，就會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。由上式可見，由于1/V2，而V=R，所以忽略了工作環(huán)境的溫度變化引起的pV變化后，與葉輪的轉速、直徑及葉片的浸水深度h有關。葉輪在旋轉一周過程中葉片的浸水深度是不一樣的(在大型的長葉片結構中尤為明顯)，不同深度對應的壓力也不同，所以葉片上的同一位置點的氣蝕數(shù)在旋轉過程中也是不一樣的，而且這種現(xiàn)象在葉尖處更為突出。圖9 汽化水體積分布圖圖7 NACA63215翼型不同攻角時的壓力系數(shù)從理論上講，通過增加葉輪的工作深度及降低葉輪的轉速有助于避免氣蝕的發(fā)生，但受工作條件及安裝難度的限制，葉輪深度不可以太深；另一方面，對于大型水下風車而言，如果僅僅為了避免氣蝕而將葉輪轉速控制在很低時，那么功率一定時，葉片將需要承受很大的扭矩；所以有必要研究葉輪在高性能工作狀態(tài)下可以防止葉片氣蝕的合理結構。下面仍以前述翼型為例，研究葉片結構氣蝕的規(guī)律性。根據(jù)前面所述條件，并設定式（6）中，pAT=101320 Pa，為1025kg/m3，pV3175 Pa，可求得10m水深處的氣蝕數(shù)為24.5。圖7為翼型為NACA63215處于 10m水深處，攻角分別是0、5、10和15時的壓力系數(shù)曲線，可以看出隨著攻角的增大，系數(shù)Cp逐漸增大，但仍低于氣蝕數(shù)，所以不會發(fā)生氣蝕。圖8分別為NACA2415、NACA4415、ACA4424、 NACA2411翼型的壓力系數(shù)曲線，從圖中可見，同樣攻角的條件下，隨著葉片翼型厚度及彎度的減小，壓力系數(shù)逐漸增大，即氣蝕的可能性越來越大。圖9是NACA2415翼型在攻角為15，流速為8m/s時的氣蝕圖，它展示的是汽化水在翼型上表面前緣后的體積分布。對于水下風車的葉片結構，要改善其氣蝕特性，一方面需要改善葉片翼型結構，比如適當增加葉片的厚度、增大彎度等，尋求探索新的翼型結構；另一方面，采用抗剝蝕材料或抗剝蝕涂料，目前已知抗剝蝕性能好的材料是鈦合金，俄羅斯已有用鈦合金制作螺旋槳的例子，也可采用表面涂鈦的方法，國內(nèi)外都有可用于螺旋槳抗剝蝕的涂料7。4 結論通常設計元件的一般過程為設計、樣機性能試驗、制造。本文采用CFD方法通過計算機對葉片性能進行了仿真研究，其結果與相關文獻6的試驗結果相比較，認為該方法能夠很好地在圖紙設計階段預測葉片的性能及其周圍流動產(chǎn)生的漩渦、氣穴、邊界層分離、尾流等不良現(xiàn)象，將可能發(fā)生故障的隱患消滅在圖紙設計階段。通過仿真表明，在水下風車葉輪的工作環(huán)境中，大厚度葉片翼型不利于獲得高性能的升阻系數(shù)特性，但對防止氣蝕有較好的效果；彎度的減小可以減弱厚度對阻力系數(shù)的影響，但卻不利于升力系數(shù)的提高，也不利于改善葉片氣蝕特性；所以在葉片的設計過程中，要均衡二者利弊，實現(xiàn)二者最優(yōu)組合。參 考 文 獻1 J. VanZwieten, F.R. Driscoll, A. Leonessa and G. Deane. Design of a prototype ocean current turbine Part I-mathematical modeling and dynamics simulation. Ocean Engineering, In Press, Corrected Proof, Available online 19 January 2006.2 Fraenkel, P. L. Power from marine turbines. Proc. Instn Mech. Engrs, Part A, 2002.3 Barnsley MJ, Wellicome JF. Wind tunnel investigation of stall aerodynamics for a 1.0m horizontal axis rotor. J Wind Eng Ind Aerodyn, 1992(39).4 A.S. Bahaj, A.F. Molland, J.R. Chaplin, W.M.J. Batten. Power and thrust measurements of marine current turbines under various hydrodynamic flow conditions in a cavitation tunnel and a towing tank. Renewable Energy, 2007, 32(3):407-426.5 Danmei Hu, Ouyang Hua, Zhaohui Du. A study on stall-delay for horizontal axis wind turbine. Renewable Energy,2006, 31(6)：821-836.6 Molland, A.F., Bahaj, A.S., Chaplin, J.R., et al. Measurements and predictions of forces, pressures and cavitation on 2-D sections suitable for marine current turbines. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M (Journal of Engineering for the Maritime Environment) vol.218, no.M2: 38-127 May 20047 李印中. 螺旋槳空泡及防止研究J. 青島遠洋船員學院學報，2003(2):31-34.