（流体力学专业论文）带导流罩的竖轴潮流水轮机水动力性能研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 捅矍 竖轴潮流发电水轮机是目前广泛实验和研究的潮流能转换装置。它对水 深和流速的要求不高，不受来流方向变化的影响，控制结构相对简单，工作 可靠。但是在低流速情况下，竖轴水轮机的功率往往过小。为了解决此问题， 主要是在竖轴水轮机的两侧安装导流罩，以提高水轮机盘面内的水流流速， 但是目前大都还处于试验研究阶段。 本文基于势流理论，首先归纳了用涡面元法计算二维机翼在定常和非定 常状态下的受力所用到的数学模型和计算方法，总结了影响数值计算精度的 因素。 然后，运用涡面元法计算敞水中竖轴直叶片水轮机水动力性能，将计算 结果与实验结果进行比较，验证该方法的可行性。本文的重点是将涡面元方 法推广应用到竖轴直叶水轮机在导流罩中工作的情况，建立了带有导流罩的 水轮机水动力数学模型，在导流罩和水轮机叶片表面布置线性涡系，给出了 数值求解流场的计算方法以及叶片水动力载荷和叶轮水动力性能的计算方 法。在此基础上，对于不同长度、不同厚度的导流罩以及导流罩和水轮机处 于不同安装间距的情况，计算了水轮机的水动力性能和叶片载荷，研究了导 流罩几何形状、参数以及安装间距等影响因素，优化导流罩结构形式，并分 析其水动力学干扰机理，为导流罩及其带导流罩的水轮机设计提供一定的理 论基础。 关键词：竖轴水轮机；导流罩：涡面元法；水轮机水动力性能 哈尔滨_ t 程大学硕七学位论文 a b s t r a c t v e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n e sa l eo n et y p eo fe x t e n s i v e l yt e s t e da n ds t u d i e d e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sf o rm a r i n ec u 眦i t sa p p l i c a t i o n t h e ya l ew o r k s m o o t h l ye v e ni ns h a l l o ww a t e ra n da tl o wv e l o c i t yo ff l o w h a v es i m p l ec o n t r o l d e v i c e sa n dw o r kr e l i a b l y b u tt h ep o w e rt h e yp r o d u c e di st o os m a l lw h e nt h e y w o r ki nl o ws p e e dc o n d i t i o n i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，w cf i xd o m eo i lt h e b o t l ls i d e so ft h et u r b i n et oi n c r e a s et h ev e l o c i t yo ff l o w b u ti ts t i l lw o r k si nt h e p e r i o do f e x p e r i m e n t b a s e do nt h ep o t e n t i a lt h e o r y , c o n c l u d em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc a l c u l a t e m e t h o d sw h e nu s ev o r t e x p a n e lm e t h o d t oc a l c u l a t et h ef o r c ew h i c h t w o - d i m e n s i o n a lw i n gr e c e i v ew h e ni tm o v e ss t e a d yo ru n s t e a d y a n a l y z es e v e r a l f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ea c c u r a c yo f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h e nw eu s ev o r t e xp a n e lm e t h o dt oc a l c u l a t ev e r t i c a l a x i ss t r a i g h t - b l a d e t u r b i n eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w h i c hc o m p a r ew i t ht h er e s u l to fe x p e r i m e n t t oi m p r o v ei t sr e l i a b i l i t y t h ee m p h a s i si nt h i sp a p e ri sl i s ev o r t e xp a n e lm e t h o dt o c a l c u l a t et h eh y d r o d y n a m i cp 础o r m a n c eo fv e r t i c a l - a x i ss t r a i g h t - b l a d et u r b i n e w i t hd e m o s ，p r o v i d et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h et u r b i n ew i t hd e m o s ，d i s t r i b u t e l i n e a lv o r t e xo nt h ec h a n n e l i n gd e v i c ea n da i r f o i l ss u r f a c e , g i v e st h em e t h o d st o s o l v et h ef l o w f i e l d ，t h e h y d r o d y n a m i c l o a do ft h eb l a d e sa n dt u r b i n e h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e f o l l o w i n g ，c a l c u l a t e t u r b i n e h y d r o d y r m m i c p e r f o r m a n c ea n dt h el o a do ft h eb l a d e si nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tl e n g t h , t h i c k n e s sd o m e sa n dd i f f e r e n tg a p sb e t w e e nd o m ea n dt u r b i n e , s t u d yt h ei n f l u e n c e f a c t o r s ，s u c ha st h eg e o m e t r i c a l 蛐m c t u r ea n dp a r a m e t e r s ，t h eg a p sa n ds oo n ，t h e n w ec a ng e tt h eo p t i m a ld o m e s ，a n da n a l y z et h eh y d r o d y n a m i c sp r i n c i p l e ，g i v e s o m et h e o r e t i c a lb a s et ot h ed e s i g no f d e m o sa n dt u r b i n e k e yw o r d s ：v e r t i c a l a x i st i d a lt u r b i n e ；d o m e ；v o r t e xp a n e lm e t h o d ；t u r b i n e h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e 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 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 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，均已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( 签字) ：皇：! 参 日期：扩7 年5 月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 海洋能开发利用综述 能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去的2 0 0 多年，建立了煤炭、 石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。 然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模 使用化石燃料所带来的严重后果：资源曰益枯竭，环境不断恶化，还诱发了 不少国与国之间，地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，为了 满足人类对能源的需求，在大量消费煤炭、石油、天然气等不可再生能源的 同时，积极开发可再生能源已是人类一项十分重要的任务。 我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的 环境保护要求的严峻挑战。依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等 是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措 施。 海洋中所拥有的丰富生物资源、波力、海流、潮汐、海水温差、海水与 淡水的盐类浓度差、海水中的铀等都是我们取之不尽、用之不竭的可再生资 源。合理的开发和利用海洋能是解决2 1 世纪能源短缺和环境恶化的战略决 策，因此当今世界各主要海洋国家普遍重视海洋能的开发利用，加大了投入 力度。在高新技术发展的支持下，目前潮汐能利用的技术已经非常成熟，己 进入商业应用阶段；波浪能开发利用技术也日趋成熟，规模逐渐扩大，已达 到或接近商业化应用阶段；潮流能利用的研究和技术发展的步伐也明显加快。 在我国，虽然近3 0 多年来在海洋能的开发利用方面取得了较大的发展，但是 由于经济实力和科技投入的不足，与世界先进水平相比，仍有很大差距。为 适应我国特别是沿海地区经济和社会可持续发展的要求，目前，不论是国际 海洋能科技发展的大环境，还是我国已具备的经济和科技基础，都是加快我 国海洋能开发利用的最好时机。为此，认真研究世界海洋能开发利用的技术 现状和发展趋势，总结我国已有的技术和存在的难点，提出对策和办法，对 促进我国海洋能科技的发展和海洋能开发利用，是很有意义的。 在海洋能的开发和利用中，波浪能和潮海流能开发利用的主要关键技术 之一是能量转换装置水轮机的设计。因为波浪能和潮海流能的能流密度 哈尔滨下程大学硕士学位论文 比较低，普通潮流发电水轮机的能量利用率也不高，这样使得发电的效率很 低。而水轮机的形式及其相应的水动力性能也就成为水能转换的核心技术， 是研究和探讨的重点。 潮流发电水轮机是潮流能开发和利用的关键水动力构件，其构成主要包 括主轴、叶片以及相关的连接及控制机构等。其结构形式有横轴式和竖轴式 两种，前者的主轴水平放置，通常和水流的方向平行，叶片展向垂直于主轴； 而后者的主轴垂直于水面，并且和来流的方向垂直，叶片展向平行于主轴。 相对于横轴水轮机，竖轴潮流水轮机对水深要求不高，工作时不受来流方向 改变的影响，控制结构相对简单，而且效率较高，因而得到广泛的关注和研 究。但当水流流速太低时，水轮机的功率也太小，因此可以在水轮机的两侧 加装导流罩，以提高水轮机盘面内的水流流速，从而提高水轮机在较低流速 下的功率。 竖轴潮流发电水轮机通常安装在一载体平台( 例如船体、浮箱或浮简) 的 底部或同载体一起沉入水底，它由一组伸向水中并绕某一垂直水面的轴线作 圆周运动的叶片组成，该组叶片在水流推动下绕转子主轴转动，并通过主轴 传动带动发电机发电，将潮流动能转换为电能。按照叶片运动方式的不同， 竖轴潮流水轮机可分为变攻角式( v a r i a b l e - p i t c h ) 和固定偏角式( f i x e d - p i t c h ) 两种，前者的叶片在绕主轴转动过程中还能够以一定的规律绕自身的 转轴转动，而后者的叶片和轮辐固定在一起，自身不能转动。变攻角潮流水 轮机即使在流速较低时也有良好的自启动性能，而且能量利用率较高，特别 是中低速比时的效率也不低；而叶片固定式水轮机结构简单，系统稳定。 1 2 国内外竖轴水轮机性能研究综述 由于竖轴水轮机这些独特的工作特点和性能，人们对它的理论和实验研 究不断进行，并取得了许多成果。竖轴水轮机的流体动力特性理论计算方法 最早根源于一些竖轴推进装置的流体动力计算模型，例如2 0 世纪5 0 年代， 德国的i s ”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、日本的谷 口中【2 】提出的针对竖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 年代发展起来的竖轴风机例如d a r r i e u s 风机的性能计算和 预报方法。根据这些方法所依据的理论基础，可以把它们分为两大类：一类 是基于动量定理的方法，另一类是基于旋涡理论的方法。 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 1 基于动量定理的方法 1 9 6 0 年，谷口中提出了准定常模型，用来求解竖轴摆线式推进器的水动 力性能。他假设在转子运动的空间范围内，叶片诱导速度的方向与来流一致， 其分布沿弦长和轨迹圆是均匀的。为了计算这个诱导速度，他利用动量定理 建立了一个补充方程，并在此方程中加上一个实验修正系数。他的方法被用 来预报摆线推进器的水动力特性，在中等速比时，可以得到与实验相符的结 果。 1 9 7 4 年，t e m p l i n 提出了基于动量定理的单盘面单流管模型嘲( s i n g l e s t r e e t - t u b em o d e l ) ，用来计算竖轴风力机的流体动力特性，该模型是后来 各种动量定理流管模型的基础。其基本思路为：沿流向作一个流管包围整个 时片运动盘面( a c t u a t o rd i s k ) ，假设诱导速度沿盘面均匀分布，将所有叶片 经过流管上游半区和下游半区的作用力之和作为该流管上的外力，应用动量 定理建立联系这一外力和流管动量变化的方程式，从而求解出诱导速度，然 后计算转子的流体动力。s u l l i v a n 和l e o n a r d 把该方法排成了计算机程序， 计算了竖轴d a r r i u e s 风力机的载荷，结果证明这种方法在低速比和低密实度 情况下，预报风力机的整体流体动力性能是可行的“1 。 为了改善t e m p l i n 的单盘面单流管模型，2 0 世纪7 0 年代中后期发展起来 了许多复合流管模型。其中著名的有1 9 7 5 年s t r i c k l a n d 提出的单盘面多流 管模型( m u lt j p l es t r e a m t u b em o d e l ) “1 ，该方法在单盘面单流管模型计 算诱导速度方法的基础上，将转子作用盘面沿垂直于来流的方向细分多个独 立微流管，每根流管都和来流方向平行，流管截面上的诱导速度均匀分布， 并且对每个流管单独运用动量定理来求解诱导速度和流体动力。这一方法比 单盘面单流管方法更合理一些，它考虑到了垂直于来流方向上流动参数不同 的影响。1 9 8 2 年，p a r a s c h i v o i u 提出了双盘面多流管模型硼，这一方法采用 同单盘面多流管模型相同的流管细分方法，在转子盘面处沿垂直来流的方向 细分多个独立微流管，不同之处在于，该模型将每根流管的上游区域和下游 区域分开处理，并将上游流管的出流速度作为下游流管的来流速度，分别建 立动量方程并独立求解上下游的诱导速度，这样既考虑到了垂直于来流方向 流动参数的不同，又考虑到了转子作用盘面上游对下游的影响，提高了计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的准确性，但该模型假设同一盘面的各个微流管的诱导速度都相同，没有考 虑到同一盘面中不同流管诱导速度的差异。1 9 9 0 年，s h a r p e 也提出了一种双 盘面多流管模型”1 ，和p a r a s c h i v o i u 的方法不同，s h a r p e 不仅假设每根微流 管上下游的诱导速度不相同，而且假设同一盘面不同微流管的诱导速度也不 相同。同时，s h a r p e 对流管的扩张效应、叶片的非定常运动效应等方面做了 大量修正，使得该模型更趋完善。 1 9 9 6 年，意大利的c o i r o 在k o b l o d 竖轴水轮机的设计和实验过程中，采 用双盘面多流管模型预报其水动力性能。1 9 9 9 年，意大利的c a m p o r e a l e 和m a g i 采用单盘面单流管模型计算了一个偏心率大于1 0 的摆线式竖轴水轮 机模型的水动力性能”，包括能量利用率和叶片载荷等，这一模型水轮机运 转的速比范围很小，因而其计算结果和实验符合得很好，这说明流管模型在 小速比范围内是很有效的。2 0 0 1 年，张亮和英国的s a l t e r 用流管模型计算 了一种设计中的大型力矩控制式变攻角竖轴潮流水轮机的水动力性能“”。 2 0 0 2 年，张桂湘在其硕士论文里总结了基于动量定理流管模型的计算方 法“”，并针对这些方法在摆线式水轮机性能计算中的应用，对动量定理方程 傲了两种修正，这两种修正方法都来自于朱典明教授在摆线推进器水动力计 算中的方法“”，其一是对叶片曲线运动轨迹和旋转效应所做的修正，这一方 法是通过有效攻角的改变来修正叶片绕自身的旋转效应；其二是对动量损失 的修正，这种方法同谷口中准定常模型中的实验修正方法思路一样，在动量 方程式中乘以一个动量损失系数，只是这个系数的取值有些改变。 基于动量定理的流管模型在竖轴水轮机水动力性能计算中的应用已经表 明，在密实度和速比不大的情况下，该方法能够方便快捷的预报水轮机的总 体能量利用率和推力等性能。但是这种方法也有一些不足，首先不太适用于 计算较高速比、较大密实度和载荷情况下的水轮机性能。在许多情况下，当 速比增大到一定值时，动量方程就会发散，而得不出解，这是动量模型的不 足之处，而且关于这一问题的原因还有待研究；其次动量定理模型忽略了垂 直来流方向的诱导速度，模型本身有一定的缺陷，这样在求解转子侧向受力 时有一定的困难：另外基于动量定理的模型在预报转子和叶片的非定常性能 和瞬时载荷方面有一定的困难。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 基于旋涡理论的方法 1 9 7 8 年，w i l s o n 提出了v o r t e xs h e e t 模型“”，来求解g i r o m i l l 风力机 的流体动力性能。这是一种固定涡模型( f i x e d w a k ev o r t e x t o d e l ) 。他用无 限叶数的风轮来代替实际风轮，即假设叶片数z 寸。o ，叶片弦长c 专0 ，而 保持z c 为常数；这样就可以用强度相等、符号相反的附着涡片分别布置在 转子叶片轨迹圆的上游半圆弧和下游半圆弧上，来代替无限多的叶片，并且 使涡量守恒；而尾涡则用9 0 。和2 7 0 0 方位角处的两条无限长的平行于来流的 常值涡线来代替，其强度可以通过9 0 。和2 7 0 。方位角处附着涡片强度的改变、 转子转速和尾涡脱泄速度来确定；最后写出了用附着涡强度和诱导速度表示 的转子流体动力性能的基本表达式。由于该模型只建立了诱导速度和附着涡 强度的关系式，无法确定它们的具体值，所以只能得到转子性能的极限值， 而且这一极限值和b e t z 动量定理的极限值是一致的。虽然如此，这一模型是 后来许多旋涡理论模型的基础。 1 9 7 9 年，s t r i c k l a n d 等人提出了v - d a r 丁模型“。这一模型也是基于升力线 理论，将叶片沿展向分为多个小段，在每一小段叶片的中弧线上布置一条附 着涡线来代替该段叶片。由于附着涡大小的变化，将脱泄出展向尾涡，尾涡 的强度等于附着涡强度的改变。将尾涡用离散的自由涡线代替，则附着涡和 离散尾涡的强度满足k e l v i n 的涡量守恒定理，可表达为 华+ 哆= 哆。 其中华表示第k 时间步的尾涡强度，r 、畔。表示第k 和k l 时间步的 附着涡强度。 为了求得分布涡的强度，需要补充叶片相对速度咯和附着涡强度r ，的关 系式。s t r i c k l a n d 等人提出了将单位展长叶片所受的升力和叶剖面升力系数联 系起来的k u t t a 条件，该方法可以表达为： r ，= 三巴c 其中c 表示叶剖面升力系数的实验值，c 表示叶剖面的弦长。 这样就可以求出附着涡和尾涡的强度，面流场中各点的诱导速度可根据 这些分布涡的强度和位置由毕奥一萨伐尔定律得到，叶片载荷和转子性能也可 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以相应的求得。 s t r i c k t a n d 等人的v - d a r t 模型是在1 9 7 5 年l a r s e n 的计算模型、1 9 7 6 年f a n u c c i 和w a l t e r s 的模型以及h o l m e s 的模型和1 9 7 8 年n g u y e n 的模型的 基础上发展和完善起来的一种自由涡模型( f r e e - w a k ev o r t e xm o d e l ) ，它的 主要改进有：( 1 ) 通过和升力系数相联系的k u t t a 条件，将叶片失速考虑迸计 算模型，使得叶片载荷计算更准确；( 2 ) 叶片展向分段的计算方法使得该模型 可以用于三维计算和具有曲线形状叶片的竖轴风力机的流体动力计算；( 3 ) 不再固定尾涡的形状，是一种非定常计算模型。 这种模型需要实验数据提供叶片剖面舞力系数，而转子转动过程中叶片 实际的非定常运动形式和模型实验中叶片的运动形式有可能不相同，因此二 者的环量不应相同，叶片上的压力分布也不同，这样导致叶片瞬时受力的计 算不准确。针对于此，w i l s o n 等人提出了一种改进的自由涡模型“”，他们采 用保角变换的方法，通过尾缘k u t t a 条件来得到附着涡强度，通过叶片表面 压力积分或者复势的解析结果来求解受力。这种方法不需要翼型的实验数据， 但没有考虑叶片失速的影响，而且是一种二维方法。 1 9 8 4 年，马庆位提出了一种旋涡理论模型“耵。该模型的基础是w il s o n 的v o r t e xs h e e t 模型，即用无限叶数的水轮机来代替实际水轮机，用附着涡 层来代替叶片，用和来流方向平行的直线自由涡层来代替尾涡，但是放弃了 涡层强度在不同方位角处都相等的假设和只有9 0 * 和2 7 0 0 方位角处的两条尾 涡的假设，而是将附着涡层和尾涡层都表达成方位角的连续函数。这样当水 轮机稳定工作时，附着涡和尾涡强度都将只跟方位角有关而和时间无关，而 且具有周期性。最后只要求解出分布涡的强度，就可以求解出诱导速度和叶 片载荷以及水轮机性能等参数。为了求解分布涡的强度，马庆位也采用了同 v - d a r t 模型相同的k u t t a 条件，将附着涡的总强度和叶片翼型升力系数联系 起来。然后将附着涡层分布函数和尾涡层分布函数都表达成有限项的傅里叶 级数，借助于旋涡理论可以导出轨迹圆上的诱导速度关于涡分布函数的解析 表达式。应用二维升力线理论建立起关于涡分布函数的方程，取一系列控制 点并利用最小二乘法将该方程转化为非线性方程组，通过迭代求解这个方程 组，解出涡分布函数，即可得到分布涡的强度。同时，马庆位还采用了朱典 明在摆线推进器的理论计算中使用的方法，对叶片的曲线运动轨迹和叶片旋 转的影响进行了修正。 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 d v a n d e n b e r g h e 和e d i c k 在1 9 8 7 年提出一个与上述方法类似的旋涡 模型“”。在他们的方法中不再将有限叶数的水轮机化为无限叶数的水轮机来 处理，他们将尾流的一定区域进行分格，将位于单元格内的尾涡丝离散到单 元格的四个节点上进行计算，尾涡丝的位置由它所在点当地的流体速度确定。 在计算叶片受力的时候考虑了动态失速的影响。对于大展弦比叶片风力机的 计算是令人满意的。 2 0 0 1 年，p o n t a 和j a c o v k i s 提出了一种将自由涡模型和有限元分析结合 起来的分区计算模型一腰叨硝模型“”。这种模型将计算区域分成大小重叠的 两部分，小的计算区域包括叶片及其周围的流场，大的计算区域包括整个轮 机叶片所在的区域。具体计算时，在大的区域中采用和s t r i c k l a n d 的v - d a r t 模型相似的自由涡模型进行计算；而在叶片周围的小区域内采用有限元方法 计算。通过大区域的自由涡模型计算得到小区域外边界上的速度和压力等物 理量，作为小区域有限元分析的外边界条件，再加上小区域的内边界条件， 可以求解出小区域的流场；沿叶片边界对速度进行曲线积分可以得到附着涡 强度，用这一强度在大区域中重新进行自由涡模型的计算得到新的小区域外 边界条件；如此迭代直到各物理量收敛后，再进行叶片受力的计算。计算受 力的时候，考虑到粘性的影响，该模型假设叶片边界层内为层流，运用卡门 动量积分关系式计算了边界层的厚度分布，并据此计算了叶片受到的摩擦阻 力。这一模型虽然复杂，但是能够比较准确地预报叶片的瞬时受力。由于在 小区域的计算中采用的是环量守恒的l a p l a c i a n 方程，该方法只适用于计算 固定攻角水轮机匀速转动过程中的性能。 1 2 3 竖轴潮流水轮机试验研究进展 竖轴潮流水轮机的实验研究开始于2 0 世纪7 0 年代中后期，公开的资 料中比较著名的有1 9 8 4 年马庆位的文献“，其中给出了不同偏心率( 0 2 ， 0 4 ，0 6 ，0 8 ) 和密实度的摆线式水轮机的能量利用率性能曲线，以及叶片 载荷曲线，分析了密实度对水轮机性能的影响。1 9 8 4 年孙百超等进行了弹簧 调节攻角的直叶片水轮机实验研究“”，给出了水轮机能量利用率系数曲线。 1 9 9 8 年c o i r o 介绍了k o b o l d 竖轴潮流水轮机的实验研究情况，给出了不同 密实度的k o b o l d 轮机的功率一转速曲线，其中叶片数有2 叶和3 叶两种。1 9 9 9 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 年c a m p o r e a l e 进行了偏心率大于1 0 的摆线式水轮机的模型实验，发表的数 据包括能量利用率一速比性能曲线和叶片的载荷曲线，叶片数有4 叶和5 叶 两种。2 0 0 2 年，朱典明等给出了7 0 k w 潮流实验电站的测试数据，包括不同 流速下的功率一转速曲线以及轮机的载荷等 此外，日本的k i h o 、a k i n o r i 、澳大利亚的g o r l o v 、加拿大的b l u ee n e r g y c a n a d ai n c 、瑞典的r i l s s o n 和s e g e r g r e n 等也都做过竖轴潮流发电水轮机 相关的实验研究，但是公开的数据还比较少。 1 2 4 导流罩的研究进展 由于潮流流速的大小随着太阳、月亮与地球三者之间的位置的不同在不 停的变化中，虽然其变化规律已知，但是潮流流速的大小有很长一段时间处 于较低水平，这样就直接导致了潮流水轮机发电功率较小。1 9 9 8 年，阿根廷 的i s e p 小组提出了一种对水轮机的性能提高有很大帮助的改进，即加装导流 罩【捌，比起传统的水轮机，加装导流罩之后水轮机的优势十分明显，它能使 能量集中起来；使转子附近水域的流速增大，在相同输出功率的情况下，转 轴的尺寸减小，从而传动装置的尺寸减小，成本降低；由于转动区域内流体 速度的自我调节，使得水轮机对于控制系统的依赖性大大降低。 2 0 0 5 年，陈晗在其硕士学位论文中对安装有导流罩的弹簧控角竖轴直叶 片水轮机的实验数据进行了总结分析，发现安装导流罩的水轮机的性能要高 于敞水状态的水轮机【2 ”。孙科应用f l u e n t 软件计算了导流罩内流场情况，发 现导流罩可以大大增加水轮机所在区域的水流速度，有利于提高轮机功率； 在导流罩后加扩张门不仅可以提高罩内流速，而且还有利于提高流场内的稳 定性。 2 0 0 5 年，由哈尔滨工程大学张亮教授主持的国家十五8 6 3 项目“4 0 k w 座海底式潮流能独立发电系统”建成并投入试运行，并且于次年顺利通过验 收。此电站系统在潮流水轮机的两侧安装有导流罩，以提高水轮机的效率。 到目前为止，电站运行良好，性能基本满足设计要求。 对于潮流水轮机的导流罩的研究目前尚处于起步阶段，但是，在风力发 电领域已经进行了很多相关的研究。风力机扩散放大器( d i f f u s e ra u g m e n t e d o f w i n dt u r b i n e ( d a w t ) ) ( f 1 0 导流罩) 就是在传统风力机的基础上，在风轮外部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 安装一个静止的扩散器，使风轮附近区域产生负压，添加了风轮对其周围气 流的抽吸作用，增加了气流通过风力机叶轮的流量，提高风力机的功率系数， 减小风轮直径，降低启动风速。早在二十世纪五十年代，英国、日本、以色 列、美国、荷兰等国就提出了扩散器应用于风力机的想法，以英国人l i l l e y a n d r a i n b i r d 于1 9 5 6 年在格连菲尔德大学提出的扩散器理论为代表，但具体的试 验研究到后来的f o r e m a n 才第一进行目前，v o r t e ce n e r g y 有限公司买断了 世界范围内的扩散器技术，成为世界上第一家大规模的扩散器式风力发电机 生产商。 1 3 本文的工作内容 导流罩能够提高潮流水轮机的效率，但是其机理不清。本文将在前人研 究的基础上对这种加装导流罩的水轮机的水动力性能进行理论计算，并将计 算结果与不带导流罩的水轮机的性能参数进行比较，得出导流罩对于水轮机 水动力性能的具体影响，为潮流电站的总体设计提供参考。通过对国内外相 关研究进展情况的分析和讨论，本文对竖轴潮流水轮机做进一步的研究，具 体主要完成了以下几方面的工作： 1 根据竖轴潮流水轮机的工作特点，分析水轮机叶片的运动与受力，建 立描述水轮机水动力性能的参数模型。 2 利用非定常面元法，以单个叶片的定常运动数值计算方法为基础，建 立多叶片非定常运动的涡面元法模型，分析多个叶片共同运动时的叶片与尾 涡以及叶片与叶片之间的干扰效应和叶片的载荷特性。 3 将涡面元法运用到水轮机性能的计算中，将计算结果与实验值和前人 的理论计算值进行比较，验证计算方法的正确性。 4 建立并求解加装导流罩的水轮机的水动力性能的数值模型，将之与不 加导流罩时的水动力性能参数相比较，并分析不同形状、不同尺寸的导流罩 对于水轮机水动力性能的具体影响因素，分析其水动力学机理，为导流罩以 及带导流罩的水轮机设计提供一定的理论基础。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章定常机翼受力问题分析 现有的各种机翼气动力计算的数值方法对于升力系数的计算很容易满足 精度的要求，但是要得出比较精确的阻力、力矩结果却不容易。在文献资料 中，关于机翼势流阻力的比较精确的计算结果也较少看到。以计算机翼气动 力问题比较公认的h e s s - s m i t h 法为例，h e s s s m i t h 法对于机翼升力的计算比 较准确，但是对于某些翼型，h e s s - s m i t h 在计算机翼尾缘附近压力分布时存 在较大的误差，因此在计算机翼势流阻力时的误差也比较大。 影响机翼气动力数值结果的因素很多，除了理论计算模型本身的因素之 外，网格划分的质量和数量、边界条件的处理等都会影响到计算结果的准确 性。 本章考虑无粘性等密度流体的无旋运动。密度不变，流体是不可压缩的， 流体中扰动传播的速度为无穷大，用速度势描述无旋流动。 2 1 控制方程和定解条件 设机翼运动产生的诱导速度势为妒( x ，z ) ，则流体的扰动速度为v = v 矿， 由质量守恒定理可得，速度势西满足l a p l a c e 方程： v 2 西= 0( 2 - 1 ) 定解条件包括： ( 1 ) 无穷远处的扰动速度为零，即 v = 0( 2 - 2 ) ( 2 ) 物体表面不可穿透条件，即 ( v 妒一v 。) n = 0 ( 2 3 ) 其中，n 为物体表面的单位法向量，方向指向物体内部，v 。( u ，w ) 为来流 速度。 ( 3 ) 机翼尾缘处满足压力相等的k u t t a 条件，即 = 只 ( 2 - 4 ) 其中，只和易分别表示机翼尾缘上、下表面对应点的压力大小。 2 2 数值求解方法 2 2 1 网格划分 用面元法进行数值求解时，首先需要将几何体离散，即边界面划分网格。 网格划分是否合理，对于计算结果有着很大的影响。下面介绍几种较常用的 网格划分方法。 2 2 1 1 余弦划分网格 对于二维机翼，最常用的划分网格的方法为余弦划分，其优点是机翼首 缘和尾缘处的网格划分较密，如图2 1 所示。 以 图2 1 余弦方法划分机翼表面网格 假设要在机翼的上表面划分个网格单元，则a 口= 石。对应的石的值 可以由下面公式求得： j = 2 ( 1 - c o s ，) ( 2 - 5 ) 这样工轴就被划分为个单元，从而得到n + 1 个计算所需要的节点 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 k + z f f i l k 。z 产： ，b 。+ ，z 户mj ，控制点可以取在面元的中点处，因此 所有控制点的坐标也可以计算得到。并定义机翼下表面尾缘处第一个网格单 元编号为l ，沿顺时针方向，依次类推，机翼上表面最靠近尾缘的单元编号 为。 2 2 1 2 等比例划分网格 等比例划分网格是在g a m b i t 里比较常用的一种划分网格的方法，主要 分为单边等比例和双边等比例两种。 i n t e r v a ll e n g t h s 岛 乙屯, 1 = r = c o n s t ；a n t k ik + - 卜- 一 卜一+ 轴n e n d m e s hn o d e1 0 c a 吐o n 图2 2 单边等比例划分网格 如图2 2 所示为单边等比例划分网格，常数r 为网格比例。假设线段长 为，需要划分的网格数为，则 r i t = ( 2 - 6 ) y r “ ， 冒 l i = r 1 1 1 ( 2 7 ) 由公式( 2 6 ) 求得，后再根据公式( 2 7 ) 即可求得所有单元的长度。这样线段就 被划分为个单元，从而n + 1 个计算所需的节点的坐标也可以由公式( 2 8 ) 求得： _ ；i = e t , - 1 i ( 2 8 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。j j | 0 2 j - s e g m e n t2 i 磊j t ：，f ： 1 2 ，2f l ，： 、1 8 h n 图2 3 双边等比例划分网格 如图2 3 所示为双边等比例划分网格，常数马，r ：为网格比例。对于线段 两段分别运用公式( 2 6 ) ，( 2 7 ) 可以分别求得此线段两边的单元分块，进而可得 所需节点的坐标。 2 2 - 2 线性涡方法 j 图2 4 坐标系的选取及单元对空间任意一点处的诱导速度 1 3 如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在机翼表面的每个面元上布置线性变化的涡，每个单元的随体坐标系及 空间任意一点p ( 工，z ) 产生的诱导速度如图2 4 所示，设第一个单元两端的涡 强分别为 和，：，第二个单元两端的涡强分别我为，：和扎，依次类推，则第 歹个单元两端的涡强分别为，和，。 随体坐标系下单个面元上线性分布的涡对空间任意一点处产生的诱导速 度的求解可以分解为两个部分叠加求得，如图2 5 所示。 z x z x + z x 图2 5 通用线性涡的分解 在第_ ，个单元下，空间任意一点的诱导速度为一个涡强从0 逐渐增加到 ，川的线性涡和一个涡强从乃逐渐减小到0 的线性涡的诱导速度的叠加。 ，叻，- = ( 1 1 a , w 4 ) ，+ ( “6 ，w b ) ， ( 2 9 ) 中一等 z h 苦澎一2 卜去一去 w ；= 一篆 主h 黑如1 + 1 ) 一z x ( t a n 。1 去去 ( 2 一1 1 ) 小辈2，ri彝x-xj+,x-xj3 寺删髀蚴+ 讣h 若等一z 卜去划去 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 嘭= 笔h 甓謦+ 鲁i h 若等* 训一2 卜专利高 ( 2 1 3 ) 则第一个控制点处的诱导速度可以表示如下： 0 ，w ) l = 0 a , w 4 l 。n + 陋6 ，w 6 l 。+ 0 4 ，w 4 l ： ，： + 陋b , w 6 l ：+ g 4 ，w 4 l ，k + + 酝6 ，w 6 l 舻。+ 0 一，矿l 。p ，+ 0 一，1 v ，+ ， 令 。 0 ，以。= 0 4 ，w 4 l ， 0 ，w ) ，。：0 。，矿l 。r + ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 0 ，w ) ，= 陋6 ，矿l 乒。+ 0 4 ，w 4 l ，k ( 2 1 7 ) 则有 0 ，w ) i = g ，w ) l 。n + 0 ，w ) l ：y ：+ 0 ，以。y + ， ( 2 一1 8 ) 设涡强，= 1 ，则影响系数 = o ，吨n f ( 2 - 1 9 ) 每个面元上控制点处的自由来流的法向速度为 r h s i = 一( u ，w t n f ( 2 - 2 0 ) 现在有n 个方程，n + 1 个未知数，需要再加上k u t t a 条件 + ，。= o 便 可以使方程组封闭，得到线性方程组 a l l口1 2 a 2 1 口2 2 a 3 ia 3 2 an!an2 lo r t t $ j r h s 、 r i - i s j r h s o ( 2 2 1 ) * * ；h 机 v。o八 “ 卅 m m； 1 ；。 协 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 求解此方程后便可以得到机翼表面各节点处的涡强，( ，= 1 ，2 ，n + i ) ， 代入公式( 2 1 0 ) 、( 2 11 ) 、( 2 - 1 2 ) 和( 2 - 1 3 ) l 中，求得分解部分的诱导速度 后再代入公式( 2 1 4 ) 中即可求得机翼表面所有控制点受到的诱导速度。 控制点i 处的切向速度为： r + l1 g = j 0 ，咄+ 移。，睨) h ( 2 2 2 ) l - 1j 其中，t ；表示i 点处的切向量。 控制点处压力系数为： n 2 巳旬一量( 2 - 2 3 ) 根据k u t t a - j o u k o w s k i 理论，每块面元的升力为： 也= 触毕c ； ( 2 2 4 ) 其中，c ；为面元的长度。 机翼受到的升力为： 三= a l ， ( 2 2 5 ) 2 3 算例与分析 以n a c a 0 0 1 8 翼型为例，用本章介绍的方法在机翼表面布置线形涡，计算 其在不同网格数下，不同攻角下机翼表面的压力分布情况。 算例1 ：n a c a 0 0 1 8 翼型表面压力分布( 余弦网格) 计算攻角口= 5 0 ，使用余弦方法划分机翼表面网格，网格数不同情况下， 机翼表面的压力分布，计算结果见图2 6 2 9 。 1 6 图2 6 网格数为1 6 0 时机翼表面压力分布 图2 7 网格数为8 0 时机翼表面压力分布 图2 8 网格数为4 0 时机翼表面压力分布 1 7 哈尔滨下程大学硕士学位论文 。2 一i 5 八、 2 0 p a n e l s 。l k 、 n = 5 一0 5 ， j、 c p0 一1 、 o5 fo 20 40 608l12 l 一 x c 图2 9 网格数为2 0 时机翼表面压力分布 从以上4 幅图可见，在机翼尾缘处，由于网格划分的疏密不同，会导致 压力系数的计算值有较大差异。当网格数较密时，尾缘处c 。值会出现跳跃， 这样机翼的升阻力计算会产生较大误差。但当网格数过少时，又会影响计算 精度。 算例2 ：n a c a 0 0 1 8 翼型表面压力分布( 双边等比例网格) 采用双边等比例划分网格的方法，计算机翼在不同攻角下表面压力分布。 图2 1 0 2 1 1 为使用等比例划分网格攻角分别为0 度和5 度时机翼表面的压 力分布。 圈2 1 0 攻角为0 度时等比网格划分机翼表面压力分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 1 攻角为5 度时等比网格划分机翼表面压力分布 从以上2 幅图可见，采用双边等比例划分网格的方法很好的解决了余弦 划分网格数较大时尾缘处c 。值跳跃的问题，同时也满足计算精度要求。 2 4 本章小结 本章介绍了在机翼表面布置线性涡求解定常机翼的受力问题。并讨论了 不同的网格划分形式对于计算结果的影响。比较了余弦和双边等比例划分网 格两种形式。对于余弦划分，当网格划分较密时，尾缘处c 。值跳跃的问题， 而等比例划分则不会。可见对于比较薄的翼型，网格划分形式对于计算结果 的影响比较大。 1 9 哈尔滨下程大学硕七学位论文 第3 章竖轴潮流水轮机的水动力性能 水轮机叶片的水动力性能好坏是决定水轮机功率大小的决定性因素，本 章首先介绍了竖轴水轮机的工作特点，然后将涡面元法运用到水轮机叶片的 水动力性能计算中去，并将计算结果与试验结果进行比较，以验证算法的可 靠性和准确程度。 3 1 竖轴潮流水轮机的工作特点和分析 竖轴潮流发电水轮机的主要工作部件包括垂直于水面的转轴、一组伸向 水中并绕转轴做圆周运动的均匀分布的叶片、控制叶片运动方式的控制机构 以及必要的联接机构和传动机构等。 叶片的作用是吸收潮流