（流体力学专业论文）竖轴H型叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟.pdf

竖轴h 刑叶轮及导流罩流体动力性能数值模拟 摘要 h 型叶轮是竖轴风力发电机组或海( 潮) 流发电机组中的关键设备。它 的主要特点是风或水流的方向垂直于叶轮的主轴和叶片，叶轮的旋转不受来 流方向的影响，叶片结构简单，易于实现变角度控制和大型化，所以近年来 在风能和潮流能发电技术领域重新受到人们的关注。由于h 型叶轮工作过程 中流场、尾涡系及其作用于叶片上的载荷呈周期性的非对称非稳念变化，流 动干扰复杂，叶轮流体动力学性能设计中的基础力学问题至今没有得到很好 的解决。因此，深入研究h 型叶轮的流体动力学理论与数值模拟方法，探索 h 型叶轮的流场特性、流体动力学机理和性能，对于准确的认识h 型叶轮的 特性和提高设计能力具有重要的理论和实际意义。 h 型叶轮流体动力性能数值预报通常采用流管法和涡方法。流管法在整 体性能计算上简单快捷，但预报叶片瞬时载荷困难；涡方法能够计算瞬时载 荷和涡系干扰，但在叶片出现大攻角流动分离时计算结果不准确。而近年来 出现的粘性c f d 方法能够弥补前两种方法的缺点。本文基于全粘性c f d 方 法和f l u e n t 软件，对h 型叶轮粘性流场的数值模拟方法，以及叶片、叶轮和 导流罩的流体动力载荷与性能丌展研究。 首先研究h 型叶轮流场的数值模拟方法。针对叶片截面研究典型对称翼 型定常和非定常绕流的数值模拟问题，详细探讨了粘性c f d 理论中相关计算 条件和处理方法。在分析h 型叶轮的运动特征和c f d 滑移网格模型与动网 格模型特点的基础上，提出u d f 控制滑移网格模型方法。通过s t r i c k l a n d 风 力机和k u r u s h i m a 潮流水轮机模拟结果与试验结果和其他方法的计算结果对 比，、表明滑移网格模型可以详细预报叶片的瞬时载荷，尤其在低速比工况的 性能计算上有明显优势。通过摆线式水轮机的模拟结果与文献中试验结果对 比，表明u d f 控制滑移网格模型可以有效预报变偏角h 型叶轮的功率特性， 与动网格模型相比，该模型能够降低网格数量，保证网格质量，节省计算时 问。 然后考虑粘性流场中运动 片的动力学问题。应用u d f 建立叶片的受力 平衡方程和力矩平衡方程，实现了带惯性力系的h 型叶轮的数值模拟，给出 了被动变偏角h 型叶轮的叶片偏角变化规律和叶轮功率特性。通过弹簧控角 哈尔滨。哺旱人学博十学位论文 水轮机的计算结果与实验结果对比，表明该方法可以有效预报叶片的运动特 性及叶轮的功率特性。 另外，研究叶轮的总体性能计算问题。提出了变偏角h 型叶轮功率计算 修正公式，将叶片力偶矩对叶片自身小轴的功计入叶轮转换的能量中。研究 表明，修正项在低速比时对功率的影响很小，在高速比时对功率的影响较大， 为更准确的计算叶轮性能提供了一种途径。 最后，研究h 型叶轮性能的强化问题。提出了适合于往复流特性的导流 罩设计方法以及导流罩带扩张门的设计思想，模拟了导流罩流场特性以及导 流罩加装固定偏角风力机、摆线式水轮机和弹簧控角水轮机模型的流场，给 出了导流罩与叶轮之间的流体动力学干扰规律。数值计算和模型实验结果比 较表明，导流罩可以稳定叶轮下游盘面流场，扩张门能够明显提高通过导流 罩内部的流量；不同的h 型叶轮安装于导流罩内时，导流罩的型线、收缩比、 导流罩与叶轮的间隙等参数对叶轮的功率特性和叶片的流体动力特性的影响 不同，带扩张门的导流罩优于不带扩张门的导流罩。弹簧控角水轮机功率特 性的实验曲线证明，带扩张门的导流罩可以将叶轮的能量利用率峰值提高 4 7 8 ，同时扩大了叶轮高效运转的速比范围。 本文的研究工作为各种类型h 型叶轮绕流问题提供了全粘性数值模拟方 法，对于深入研究h 型叶轮的流体动力学机理，优化叶轮性能和设计，提高 叶轮效率具有重要的理论意义和工程实用价值。 关键词：竖轴h 型叶轮；流体动力性能；粘性c f d 方法；导流罩；滑移网格 竖车| f 1h 删n l 轮及导流罩流体动力性能数值模拟 a b s t r a c t h s h a p e dt u r b i n ei st h ec o m r n o na n dk e ye q u i p m e n ti nv e r t i c a l a x i sw i n d t u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e mo r ( m a r i n e ) t i d a ls t r e a m st u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e m ，w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i na x i sp e r p e n d i c u l a rt ot h ef l o wd i r e c t i o n ，t h eb l a d e p a r a l l e lt ot h em a i na x i s s ot h ef l o wd i r e c t i o nh a sn o i n f l u e n c ew i t ht u r b i n e r o t a t i o n s t h es t r u c t u r eo fb l a d ei s s i m p l e ，w h i c h i s e a s y t o j m p l e m e n t a n g l e c h a n g e d c o n t r o la n dl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，v e r t i c a la x i st u r b i n e s a r eh i 曲l ye o n c e m e di nt h ee l e c t r i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yf r o mw i n de n e r g ya n d t i d ee n e r g yi nr e c e n ty e a r s d u et ot h ef a c tt h a ti ti su n s t e a d ya n du n s y m m e t r i c a l i nf l o wf i e l d ，t r a i l i n gv o r t e xa n dl o a do nt h eb l a d ed u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s so f h s h a p e dt u r b i n e ，b e s i d e s ，f l u i dd y n a m i cd i s t u r b i n ge f f e c ti sc o m p l e x ，m a n y b a s i c m e c h a n i cp r o b l e m si nt u r b i n ef l u i dd y n a m i cp e r f o r m a n c ed e s i g nh a v en o tb e e n s o l v e da sy e t c o n s e q u e n t l y , i ti si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i na c c u r a t e l yu n d e r s t a n d i n ga n di m p r o v i n gd e s i g nc a p a c i t yo fh s h a p e dt u r b i n e ， i ns t u d y i n gf l u i dd y n a m i ct h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，e x p l o r i n g f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，f l u i dd y n a m i c sm e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c eo fh s h a p e d t u r b i n e t h em e t h o d so fp r e d i c t i n gh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rh - s h a p e dt u r b i n e a r eu s u a l l ys t r e a mt u b em e t h o da n dv o r t e xm e t h o d s t r e a mt u b em e t h o di ss i m p l e a n dq u i c ki na n a l y z i n gt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e ，h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt op r e d i c t b l a d ei n s t a n t a n e o u sl o a d p e r f o r m a n c e v o r t e x m e t h o dc a l lc a l c u l a t et h e i n s t a n t a n e o u sl o a da n ds i m u l a t ev o r t e xi n t e r f e r e n c e ，h o w e v e r , w h e nt h eb l a d e m o v e si nt h er a n g ef o r a n g l e so fa t t a c k a n d f l o wb e g i n st od i s t r i b u t e ，t h e c a l c u l a t i o ni sn o ta c c u r a t e ，w h i l ev i s c o u sc f dm e t h o do v e r c o m e ss h o r t c o m i n g s m e n t i o n e da b o v e b a s e do nv i s c o u sc f dm e t h o da n df l u e n ts o f t w a r e ，t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fh s h a p e dt u r b i n ef l o wf i e l d ，f l u i dd y n a m i cl o a d s a n dp e r f o r m a n c eo fb l a d e s ，t h et u r b i n ea n dt h ed u c ta r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ff l o wf i e l df o rh s h a p e dt u r b i n ea r e s t u d i e d a i m e da tt h es e c t i o no fb l a d e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t e a d ya n d 哈尔滨i ：样人学博十导：何论文 i i u n s t e a d yf l o wa r o u n dt h et y p i c a ls y m m e t r ya e r o f o i l a r es t u d i e d ，a n dr e l e v a n t c a l c u l a t i o nc o n d i t i o n sa n dt r e a t m e n t si n v i s c o u sc f dt h e o r ya r ed i s c u s s e d ， b e s i d e s ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l i d i n gm e s ha n dd y n a m i cm e s h ，t h eu d f c o n t r o l l e ds l i d i n gm e s h ( u d f - s m ) i sp u tf o r w a r d t w on u m e r i c a le x a m p l e so f s t r i c k l a n dw i n dt u r b i n ea n dk u r u s h i m as t r a i tt i d a ls t r e a mt u r b i n ed e m o n s t r a t e t h a tt h es l i d i n gm e s hm o d e lc a nf o r e c a s ta c c u r a t e l yi n s t a n t a n e o u sl o a do nb l a d e ， e s p e c i a l l y , i t i sm o r ea c c u r a t et oc a l c u l a t ep e r f o r m a n c ei nl o ws p e e dr a t i o p e r f o r m a n c es i m u l a t i o no fc y c l o i d a lh y d r o - t u r b i n ei n d i c a t e su d f s mm o d e lc a n c a l c u l a t et h ep o w e rc h a r a c t e r so fv a r i a b l ep i t c h a n g l eh s h a p e dt u r b i n e ，c o m p a r e d t od y n a m i cm e s hm o d e l ，i tc a nd e c r e a s em e s hn u m b e ro nt h ep r e m i s et h a tt h e m e s hq u a l i t yi sg u a r a n t e e d ，t h e r e f o r e ，i tc a i ls a v et h ec a l c u l a t i n gt i m e s e c o n d l y , f l u i dd y n a m i c so ft h eb l a d em o v i n gi n v i s c o u sf l o wi ss t u d i e d b a l a n c e df o r c ee q u a t i o na n db a l a n c e dt o r q u ee q u a t i o no fb l a d ea r ef o r m u l a t e d i n t ou d fp r o g r a m ，a n dt h e nt h ew o r k i n gp r o c e s so fh - s h a p e dt u r b i n ew i t hi n e r t i a l f o r c es y s t e mi ss i m u l a t e d ，g i v i n gt h ev a r i e t yl a wo f b l a d ea n dt h ep o w e re f f i c i e n c y c h a r a c t e x i s t i e so ft u r b i n e t h ec o m p a r i s o no f n u m e r i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w st h a tt h i sm e t h o dc a l le f f e c t i v e l yp r e d i c tt h eb l a d e s m o t i o na n d p o w e re f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i co f t u r b i n e i na d d i t i o n ，t h eg e n e r a lf l u i dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fr o t o ra r es t u d i e d t h e a m e n d m e n tf o r m u l a so nt h ep o w e re f f i c i e n c yo fv a r i a b l e p i t c hh s h a p e dt u r b i n e a r ep r e s e n t e d ，b yc o n s i d e r i n gt h eb l a d em o m e n t sw o r ko nt h es h a f ti ne n e r g y c o n v e r s i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo f a m e n d m e n to n p o w e re f f i c i e n c yi ss m a l li nt h el o ws p e e dr a t i ow h i l ei ti sl a r g ei nt h eh i 曲一s p e e d r a t i o t h ep o w e re f f i c i e n c ya m e n d m e n tp r o v i d eam e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h e p e r f o r m a n c e o ft h er o t o rm o r ea c c u r a t e l y a tl a s t ，w o r ko nt h em e t h o dt oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fh s h a p e dr o t o r d u c td e s i g nm e t h o di sp u tf o r w a r dt h a ts u i t a b l ef o rr e c i p r o c a t i n gf l o w , a n dt h e d e s i g nc o n c e p t o fe x p a n s i o nd o o ri sp r e s e n t e d i na d d i t i o nt oc a l c u l a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so fd u c ti nf l o wf i e l di n d i v i d u a l l y , t h ef l o wf i e l d sa r es i m u l a t e d a b o u tt h ed u e tw i t hf i x e db l a d ew i n dt u r b i n e ，w i t hc y c l o i d a lh y d r o - t u r b i n ea n d s p r i n g c o n t r o l l e dp a s s i v ev a r i a b l e - - p i t c h t u r b i n e r e s p e c t i v e l y t h ed y n a m i c i v i n t e r f e r e n c eb e t w e e nd u c ta n dr o t o ri s d i s c u s s e d n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ed u c tc a ns t a b i l i z e t h ef l o wi nr o t o rd o w n s t r e a md i s k ， e x p a n s i o nd o o rc a l le n l a r g et h ef l u x i nd u c te v i d e n t l y t h ei n f l u e n c eo np o w e r e f f i c i e n c ya n df l u i dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f b l a d eb yd u c tp a r a m e t e r ss u c ha s t h em o u l d e dl i n e ，s h r i n k i n gr a t i o ，g a pb e t w e e nd u c ta n dt u r b i n ew i l lc h a n g ea l o n g w i t ht h er o t o r st y p e t h ed u c tw i t he x p a n s i o n d o o ri sb e t t e rt h a nt h eo n e w i t h o u t i t i ne x p e r i m e n t ，t h ep e a ko fp o w e re f f i c i e n c yo fs p r i n g c o n t r o l l e dv a r i a b l e p i t c h t u r b i n ei se n h a n c e d4 7 8 b yd u c tw i t he x p a n s i o nd o o r , m e a n w h i l et h es p e e d r a t i or a n g ef o re f f e c t i v eo p e r a t i o no f t u r b i n ei se x t e n d e d t h ei e s e a l c hw o r ki nt h et h e s i sp r o v i d ea n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt o v i s c o u sf l o wp r o b l e m sf o rv a r i o u sh s h a p e dt u r b i n e i ti sv a l u a b l ei ns t u d y i n g f l u i dd y n a m i cm e c h a n i c s ，o p t i m i z i n g b l a d ep e r f o r m a n c ea n dd e s i g n a n d i m p r o v i n gt u r b i n ee f f i c i e n c yo fh s h a p e dt u r b i n e ，b e i n gs i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v e r t i c a l a x i sh - - s h a p e dt u r b i n e ； c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 、， f l u i dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ；v i s c o u s m e t h o d ；d u c t ；s l i d i n gm e s h 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签铋立魁 日期：p & 年弓月妇 第1 章绪论 第1 章绪论 i i 研究工作的背景及意义 2 l 世纪以来，中国和世界经济j 下面临着快速持续发展与资源枯竭和环境 恶化的矛盾与挑战。依靠科技进步，丌发利用新能源( n e we n e r g y ) 和可再 生能源( r e n e w a b l ee n e r g y ) 已成为人类解决能源与环境问题的唯一选择。风 能和海洋能属于可再生能源中的两个重要部分。风能的丌发利用历史悠久， 技术相对成熟；而海洋能的丌发至2 0 世纪木以潮汐能利用为主，本世纪以来， 海洋潮流能和波浪能的开发已成为海洋能利用中发展最为迅速的领域，其技 术进步f 1 新月异。 叶轮是风能和潮流能转换装置的关键设备，它将自然风或潮流的动能转 换成旋转机械能。叶轮的能量转换效率和结构形式直接影响到风力机或潮流 水轮机获耿能量的能力、制造成本以及使用寿命。因此，在风能或潮流能的 丌发利用中，需要解决的关 键技术之一就是叶轮的流 体动力学设计理论与方法。 叶轮按结构形式分为 水平轴式( 也称横轴式或桨 叶式，h a t - h o r i z o n t a la x i s t u r b i n e ) 和垂直轴式( 也称 竖轴式或d a r r i e u s 式， v e n i c a la x i st u r b i n e ) 两 种【1 1 。垂直轴叶轮的特点是 叶片的展向与旋转主轴处 ：于：同一个平面中，主轴和叶 片垂直于来流的方向。相对 于水平轴叶轮而言，垂直轴 i 鳘| 1 1h 型叶轮发电系统示意图 f i g 1 1s k e t c hm a p o fh s h a p et u r b i n ep o w e rs y s t e m 叶轮具有工作时不受流体方向改变的影响，叶1 片结构简单，易于大型化，应 哈尔滨l 样人。孚：博十。予：何论文 用于潮流能时对水深要求不高等优点；但是也有工作过程中流场呈剧j n 】性非 稳念变化特征，叶片载荷变化剧烈，流动干扰复杂等缺点。到目日订为止，垂 直轴叶轮性能设计中还有很多流体动力学问题没有很好地解决。 垂直轴叶轮有型、h 型、s a v o n i u s 型和螺旋型等多种结构形式。图1 1 是一种h 型叶轮发电系统示意图，整个系统主要由叶轮( 也称转子) 、支撑 结构和机舱三部分组成，叶轮将流体的动能转换成机械能，机舱内部的齿轮 箱使主轴增速并驱动发电机将机械能转换成电能，整个装置的原始动力来源 于叶片的受力。 h 型叶轮在垂直轴叶轮中最具有代表性，因此本文将以h 型叶轮为对象， 研究其流体动力性能、载荷及其设计方法。主要目的是在前人研究的基础上， 寻求一种粘性流体动力学数值计算方法，使其能够准确预报h 型叶轮的流体 动力瞬时载荷和整体性能，并针对潮流往复性的特点，设计一种导流罩装置， 使其能够有效提高叶轮的能量利用率。这对于深入研究叶轮的流体动力学机 理，优化叶轮整体设计，提高叶轮效率具有重要的理论意义和工程实用价值。 本课题来源于国家自然科学基会项目“可控变攻角直叶片潮流水轮机水 动力学原理及性能研究”( 5 0 2 7 9 0 0 4 ) 、国家“8 6 3 ”计划后续能源技术领域项目 “漂浮式潮流能独立发电系统研究”( 2 0 0 2 a a 5 1 6 0 1 0 ) 和“4 0 k w 座海底式潮流 能独立发电系统研究”( 2 0 0 5 a a 5 1 6 0 3 0 ) 。 1 2 竖轴叶轮发展简史 竖轴叶轮的晟初形式是古代的风车，在中国已经有2 0 0 0 多年的历史，有 详细记载的是建于公元1 2 1 9 年的竖轴风车1 2 l ，如图1 2 所示。风车的叶片数 较多，旋转速度较慢，主要用二f 提水灌溉，随着科技的发展慢慢演变成风力 发电机。按照叶轮的作功原理或推动方式，可以将竖轴风力机分为阻力型和 升力型两种。阻力型风力机主要是利用气流在“叶片”f j 后形成的压强差来推 动叶轮工作，因此，为了获取较大的阻力，需尽量增大叶片的迎风面积。风 车就属于阻力型风力机。 2 0 世纪被广泛应用的种阻力型风力机是1 9 2 2 年 j 芬兰工程师s j s a v o n i u s 发明的s a v o n i u s 转子1 3 l ，图1 3 显示了s a v o n i u s 风力机的结构及工 作原理i4 1 。设计良好的s a v o n i u s 风机在低风速时能获得很好的功率输出，但 2 箱1 章绪呛 是它的工作速比 范围很小，通常为0 1 ；而鼠叶片在逆风区时会产生 较大的反向力矩，降低了转动轴的总力矩，使得能量利用率不是很高。从上 吐纪2 0 年代开始，很多学者对s a v o n i u s 风机的气动性能进行丁大量的风洞 实验研究，结果表明，s a v o n i u s 风机的屉大能量利用率系数能够达到0 3 左 右。阻力型风力机叶轮的结构简单可靠，但是其低速运行的缺陷导致材料用 量大，很难发展为大功率的商业化发电机组，只适合于小型肛l 力发电机组， 通常用作提水、道路照明、家用供电或肛l 速仪转予。 i rrr 。，囝 j 、j 0 、l m 幽1 2 圣直轴风下示意恻( 建r1 2 1 9 年中国) f 镕1 2 v e r t i c a la x i s w i n d m i l l ( b u i l t i n l 2 1 9 ，c h i n a ) | 鳘l13s a v o n i u s 风机结构厦i 忭原理蚓 f i g13s t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f s a v o n i u sw i n dt u r b i n e 疆疆啊一 t t ；， 升力掣风力机1 - 业 利用e 流绕过叶片产生 的丹力，推动叶轮旋转。 为了提高叶片的升力或 升阻比，将叶片的截【斯做 成机鞋的形状。最静j 的叶 片械l n j 来源j 经媳晌飞 机翼型例如n a c a 标准 系列疆，i ! ! 随着风电技术 的进步，叶片截面逐渐改 进出适合于风力机的争 朋翼型，例如美国s a n d i a 赢 一一 ? 蕾- 叠i _ 一 圈l4 壬型风机 | 璺i 刑风机-q 1 5 h f l z14e l , - s h a p e dw i n d t u r b i n e f i g 15h h a p e d 国家实验室发明的s 系列翼型l 。甜力型肛l 力机的叶片远离叶轮主轴，材料 用鼙小，工作述比高，易f 犬7 弘化，应用广泛。 按照叶轮轮廓线的形状，可以将竖轴川力型风力机分为币型和h 掣。圣 型风山机叶片沿展向呈卅】线形( 如图14 所示) ，由法国工程师g jmd a r r i e u s l 6 发叫，并于1 9 3 1 年向炎阁争利局申请了争利，以他的名字命名为d a r r i e u s 型风力机，后束人们将垂直轴叶轮统称为d a r r i e u s 叶轮。币犁叫轮的轮廓线 ，叮以设讨成跳绳( t r o p o s k i e n ) 曲线，叶轮运行删 片受拉力，易于大型化， 仍小能实现变偏角控制。h ，性风力机叶片沿展向呈直线形( 如图15 所示) ， 叶片川实现变偏角控制，提供自j l ：_ ；动力矩，低肛l 速性能良好，但足祉崩肛l 述 叫i 将承受很大的弯矩，限制了向超大型化发展。 h 型叶轮在船舶与海洋程领域q 也响应，懿r 泛的阴大膻川是j = | f m 推进器1 7 1 和潮流水轮机mj ，i l ：抒的i ：件原理证蚶干同反。h 型叶轮作为推进器 时，机械动力输出轴将扭m 传进给叶轮= 轴，带动轮旋转与水作j 产牛推 力，推动船体或其他水i ：浮体逛z 力。h 世叶轮作为水轮机时，通常安装卉： 载体一严台的底部( 例如腓休、浮_ l f i 或浮简0 9 卜i 。1 ) 或同载体i ”l t ”i 一起沉入水底， 叶片吸收水流的动能，推动叶轮l 轴转动，并通过主轴传递力矩带功发电机 发l 乜，原理与风力发 乜机 h 嗣。 按照口 片运动方式的不刖，h 掣叶轮义，叮分为同定偏角f f 脒8 d p i t c h ) 卡，变偏角式( v a r i a b l e p i t c h ) 两种。f 】l j 冉的叶片剌轮辐匿i 定在起绕1 轴旋转， 第1 苹绪论 自身不能转动；而后者的叶片在绕主轴转动过程中还能够以定的，i ! l l 律绕叶 片自身轴旋转。摆线式推进器【i6 】就是一种典型的变偏角h 型叶轮。固定偏角 叶轮结构简单，而变偏角轮机具有良好的自启动性能。 变偏角式h 型叶轮按照叶片运动原理的不同又可以分为主动调角式和被 动调角式两种。主动调角叶轮转动过程中叶片的运动规律是已知的，摆线式 水轮机就属于这一类；被动调角叶轮叶片的运动规律未知，只能通过叶片的 受力平衡和力矩平衡原理来反推叶片的运动规律。目自 世界上在示范电站中 应用的被动调角竖轴直叶片水轮机有两种：一种是意大利的k o b o l d 潮流发电 站使用的k o b o l d 水轮机旧，另一种是中国的万向1 i 号潮流发电站使用的弹簧 控角水轮机【1 8 1 。 1 3 竖轴叶轮流体性能研究现状 由于垂直轴叶轮具有独特的工作特点和性能，人们对它的理论研究、实 验研究不断进行，并取得了许多重要成果。 1 3 1 理论研究现状 h 型叶轮的流体动力特性理论计算方法源于垂直轴推进器的水动力计算 模型。例如2 0 世纪5 0 年代，德国的i s a y t l 9 】提出的针对v o i t h s c h n e i d e r 推进 器的二维势流方法、同本的谷e l 中【2 0 j 提出的针对垂直轴摆线推进器的准定常 流动模型等；而其最直接的来源是2 0 世纪7 0 年代发展起来的d a r r i e u s 风力 机的性能计算和预报方法【2 。根据这些方法所依据的理论基础，可以把它们 分为三大类：第一类是基于动：璧定理的流管法，第二类是基：f 势流理论的涡 方法，第三类是基于全流场求解控制方程的粘性讨算流体动力学( c f d ) 方 法。 ( 1 ) 流管法 流管法是基于动量定理的应用于旋转机械流体动力性能设计的方法。从 1 9 6 0 年谷口中1 2 0 j 提出的准定常模型，：始，到今天已发展出多种模型：单盘面 单流管模型、单盘面多流管模型、双盘面单流管模型、双盘面多流管模型， 以及针对这些模型的修f 方法。获得叶轮能量利用率极限值的贝茨( b e t z ) 理论模型就是基于最简单的单盘面单流管模型得到的。流管模型原理简单， 应用方便快捷，在密实度和速比不人的情况f ，能够较准确地预报叶轮的能 哈尔滨l ：烈人导：博十。字：何论文 量利用率和推力等总体性能，因此在工程上被广。泛采用。但是，由于这种方 法模型过于简化，存在一定的缺陷：计算较高速比、高密实度和重载荷情况 下的叶轮性能不准确；当速比大到一定值时，动量方程可能发散而得不出解； 流管模型忽略了垂直于来流方向的诱导速度，求解叶轮侧向受力时有困难； 预报叶轮和叶片的非定常性能和瞬时载荷方面存在困难。 ( 2 ) 涡方法 涡方法是一种在势流理论框架下的自由涡模型。最早由w i l s o n t 2 2 】在1 9 7 8 年提出，发展至今已有多种变形，其中具有代表性的涡面元法的基本思想是 【2 3 1 ：在每个叶片的表面上布置源汇，中弧面上布置旋涡来模拟运动叶片及其 流场；用离散点涡来代替连续的尾涡面；附着涡和尾涡的强度满足涡量守恒； 确定附着涡强度的补充方程由尾缘压力相等的k u t t a 条件得到。同流管法相 比，涡方法模型能够计算叶轮的瞬时载荷、叶片之间以及叶片与自由涡系之 间的干扰、模拟叶片自转效应等非定常效应以及叶片表面压力分布与变化等 细节，因此涡方法能够较全面地模拟叶轮的运动和受力。但是，由于涡方法 在计算叶片非定常运动时采用时问步进法，计算量较大，对计算机配置及计 算能力要求较高。涡方法的主要缺陷是，当叶轮工作在中低速比时，叶片处 在大攻角范围内，动念失速严重，叶片受力计算不准确。 ( 3 ) 粘性c f d 方法 粘性计算流体动力学( c f d ) 方法是一种在全流场范围内求解控制方程 的方法。与实验相比，c f d 方法有特殊优点：全部流场信息可以存储起来j 随时可以研究；可以捕获更多的流动细节，信息的观察与显示可以主动控制： 可以进行实物尺度的模拟【2 4 】。 c f d 方法的发展取决于计算机速度和储存信息能力的发展，尤其是计算 机自动生成三维体网格的能力。英国帝国理工学院著名学者d b s p a l d i n g 教 授及其课题组人员从2 0 世纪七十年代开始致力于c f d 程序的丌发，当时编 制几个通用计算程序需要儿年的时间，1 9 7 6 年他们完成了研究椭圆问题的 2 e f i x 程序和用于湍流的f a c 程序，1 9 7 8 年完成了可以用于三维两村i 流的 c o r a 3 程序。八十年代，d b s p a l d i n g 教授齐集手f 四十多位i , ：- t 的研究成 果丌发了第一个火型c f d 软件p h o e n i c 【2 5 1 。九十年代丌始，伴随着计 算机的飞速发展，欧荚一些研究机构) r 始合并研究成果，推出了几个大型c f d 商用软件，如f l u e n t 、c f x 、s t a r - c d 等。到了九十年代后期，商千j 软件 l 渐 6 第1 章绪论 成熟，逐渐代替了原始的编程算法，已成为航空、航大、建筑、船舶等各个 工业领域重要的设计工具。 在流体机械领域，c f d 商用软件在涡轮发动机、高水头水轮机和水泵等 叶轮设计中的应用已经较为成熟。近十年来，c f d 方法在水平轴风力机气动 性能与载荷的设计上也得到大量应用。如韩国海事大学的b e o m s e o kk i m 用 c f x 5 7 模拟了1 m w 水平轴风力机的三维气动特性1 2 引，上海交通大学的郝旭 等用f l u e n t 6 0 进行了水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究【z7 1 ，汕头大 学的叶枝全等用x f o i l 软件分析了风力机f f a 2 w 3 系列翼型的气动特性【z 引， 还有同本m i e 大学的y u k i m a r u t 2 9 1 、内蒙古工业大学的汪建文f 3 0 】等都用c f d 软件研究过带襟翼的风力机叶片载荷和叶轮气动性能。上述文献的数值模拟 都基于相同的假设，即叶轮转速平稳时，叶片每时每刻的运动和受力都相同。 所以，水平轴风力机的数值模拟可以参照涡轮机械的计算方法，采用动坐标 系，在不考虑主轴等其他设备的情况下，将叶轮的转动看作定常问题来求解。 垂直轴叶轮的主轴垂直于来流，叶片的运动和受力呈非定常周期性，无 法用定常方法求解，必须采用动网格技术，而且对网格前处理的要求比较高， 流场也复杂得多。直到2 0 0 4 年，c f d 研究人员与软件商丌发了多种动态网 格方法与模块，爿使得垂直轴叶轮这种复杂运动的粘性c f d 数值模拟成为可 能。由于垂直轴叶轮流场的复杂性，关于垂直轴 轮粘性c f d 计算的研究进 展缓慢，公丌的文献极少。2 0 0 6 年韩国汉城国立大学的s e u n gj ok i m p l 】应用 s t a r c d 软件的动网技术模拟了摆线式直叶片风力机的气动性能，给出了风 力机的速比功率曲线和不同风速下叶片的最佳偏角变化规律。同年哈尔滨二 程大学的王宏伟【3 2 1 ，在其硕士论文中应用f l u e n t 软件的动网格技术对摆线式 直叶片水轮机【圳进行了数值验证。 相对】二经典的流管法而言，粘性c f d 方法可以详细模拟流场中每时每处 的动念变化细二青，清晰捕捉叶片非定常运动引起的强湍流漩涡，准确预报叶 片和叶轮的瞬时受力特性；相对于涡方法而言，c f d 方法可以保证叶轮在中 低速比范围内的计算精度。另外，商刖软件操作方便，通用性好，软件自带 的动边界计算模块可以直接应用于非定常周期性问题的数值求解，模拟各种 形式实物尺度的叶轮都能够获得较准确的结果。但该疗法计算量庞大，耗时 长，对计算机配置和速度要求很高。由于受到理论模型和技术处理的限制， 商用软件并1 i 是对所有复杂问题都能进行计算，有些动念问题的模拟需要对 哈尔滨1 ：稃人学博十学侈论文 软件进行二次= j f ：发。 1 3 2 实验研究现状 ( 1 ) 国外进展 h 型叶轮流体动力载荷与性能的实验研究开始于2 0 世纪7 0 年代中后期， 国际上比较著名的有s t r i c k l a n d t 3 4 1 ( 1 9 7 9 ) 和k l i m a s1 3 5 1 ( 1 9 8 2 ) 在美国德克萨斯科 技大学做的h 型风力