遗传算法在水平轴洋流机叶片优化设计中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 遗传算法在水平轴洋流机叶片优化 设计中的应用 摘 要： 水平轴洋流机是捕获洋 流能的主要设备，其叶片外形直接影响 捕能效率。通过 Bezier 参数化曲线描述 定速定桨距洋流机的叶片弦长和扭角分 布规律，采用叶素动量理论计算其水动 特性。以额定流速下能量利用系数系数 最大为目标，基于遗传算法建立了叶片 外形优化模型。同时，为了避免因汽蚀 导致功率输出不稳定的现象，在优化过 程中以汽蚀作为约束条件，与经典设计 方法 Wilson 理论设计叶片进行了比较。 结果表明：优化叶片在叶根处的扭角更 小，具有更佳的抗扭性能；叶根和叶尖 处弦长均更小，节省了材料；在设计流 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 速范围内，优化叶片在低流速下效率更 高，平均提高了 4.6%，具有更好的启 动性能。 中国论文网 /1/view-13027116.htm 关键词： 洋流机； 叶片； 汽 蚀； 遗传算法； 优化 中图分类号： TK 83 文献标志 码： A Application of Genetic Algorithm to the Optimization Design of Horizontal Axis Tidal Turbine Blade YU Wan， LI Chun， YANG Yang （School of Energy and Power Engineering/Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China） Abstract： Horizontal axis tidal -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 turbine is the key equipment to capture energy of the current.The blade shape can directly affect the capture efficiency.In this paper，the distribution of chord length and twist angle for tidal turbine blade with fixed speed and pitch was described by Bezier parametric curves.Bladeelement momentum theory was applied to calculate its hydraulic dynamic characteristics.With the goal of maximizing the power coefficient at the constant flow velocity，the optimization model of blade shape was built based on genetic algorithm.Meanwhile，in order to avoid the instability of power output caused by cavitation，the cavitation resistance was used as constraints in the optimization model.Compared with the classical Wilson theory of blade design，the results showed that the torsional angle has reduced in the hub of the optimized blade and the better torsion properties was achieved.The root -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 and tip chord length of the blade decreased，which could save materials.Within the range of designed flow rate，higher efficiency was achieved for the optimized blade under low flow rate.The efficiency increased by 4.6% on average.The better startup performance was achieved as well. Keywords ： tidal turbine； blade； cavitation； genetic algorithm； optimization 在全球夂虮渑的背景下，随 着能源短缺和经济高速发展，可再生能 源发电技术更需进一步的飞跃，不仅要 求处理温室效应而且要求保护自然环境 以及与自然环境和谐共存。世界各国可 持续发展的主要方向转向开发和利用绿 色可再生能源。潮流能作为一种对环境 几乎不会产生污染的可再生能源，蕴藏 量丰富，而且具备相对成熟的利用技术， 开发潜力极为巨大1-2。 叶片的性能直接影响着洋流机的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 性能，也是洋流机捕获洋流能的唯一部 件，其制造成本也占整个发电机组的百 分之二十左右2。叶片设计是洋流能利 用效率的优劣和洋流机运行安全以及发 电机组成本控制的关键因素。目前在国 内外洋流机叶片设计大多数是采用了风 力机的叶片设计方法3，其中最为常用 方法是与相关的约束模型结合的叶素动 量理论，如 Wilson 模型4-5和 Glauert 模型6。其中， Wilson 在 Glauert 研究 的基础上考虑了升阻比和叶尖损失的影 响提出的以单叶素截面输出最大功率为 设计目标的叶片设计方法应用最为广泛 8-9。该设计方法速度快，仅考虑了单 个叶素的气动性能而忽略了叶素之间的 相互影响。 洋流机工作环境和水泵相似，因 此需要考虑洋流机叶片的汽蚀问题。汽 蚀现象是在流体流动过程中，当某一局 部区域的压力不大于水温相对应的汽化 压力时，流体就会在该局部区域发生汽 化9-10 。汽化压力被定义为液体发生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 汽化时的压力，和液体种类、温度有关 11。汽化产生的气泡顺流进入高压区 发生破裂，引发周围液体高频碰撞从而 导致材料受到破坏12-13。 本 文基于洋流机叶片全局优化的目的，并 且考虑叶轮汽蚀现象，采用遗传算法优 化设计 60 kW 的洋流机叶片，与文献 2中 的 Wilson 设计叶片进行对比，分析这 两种设计叶片弦长和扭角以及额定工况 和偏工况下的水动性能，从而验证遗传 算法在洋流机叶片设计应用中的有效性。 能源研究c 信息 2018 年 第 34 卷 第 1 期余 万，等：遗传算法在 水平轴洋流机叶片优化设计中的应用 1 叶轮汽蚀 在洋流机叶片设计过程中需要考 虑汽蚀问题。在叶轮旋转时发生汽蚀， 升力系数下降，阻力系数上升，没有足 够的升力，输出功率受到直接的影响 12-13。汽蚀的发生是由翼型最小压力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 系数 Cpmin 所决定。翼型最小压力系数 Cpmin 定义为 Cpmin=pLmin-p12U2（1） 式中：p 为流体压力， Pa；pLmin 为最小局部压力，Pa； 为 流体密度，kg m-3；U 为来流速度， m s-1。 汽蚀系数 定义为 =p-pvap12U2（2） 式中，pvap 为汽化压力， Pa。 在优化设计叶片过程中，定义 K 为避免汽蚀的安全系数。通过设置 K 小 于 1，使得叶片形状上具有更高抗气蚀 能力。为了避免汽蚀，必须保证方程 （3）成立，即 K+Cpmin0（3） 2 叶素动量设计理论 2.1 动量理论 动量理论引入轴向和径向诱导因 子的概念，假设叶轮旋转平面为单元流 管致动盘模型，分析致动盘前后压力变 化情况，根据伯努利方程和质量守恒定 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 理可得到制动盘所受到载荷与诱导因子 之间的关系。动量理论轴流模型如图 1 所示，图中：U1 为尾流速度，m s- 1；p+、p- 分别为盘前、盘后压力， Pa；a 为轴向诱导因子。 图 1 动量理论轴流模型 Fig.1 Axial flow model based on momentum theory 由动量理论推得轴向力 F 和转矩 M 表达式分别为 dF=4a（1-a）U2rdr（4） dM=2（1-a）Ur3dr（5） 式中： 为水轮转速，r min- 1；r 为半径，m。 2.2 叶素理论 叶素理论假设叶片沿展向分为多 个片段，每一个片段视为一段叶素，各 个叶素相对独立互不影响。考虑叶片旋 转效应，结合翼型气动特性分析每段叶 素受力并且沿翼展方向积分，求得叶片 上所受的力，联立动量理论求解每一段 叶素处的诱导因子。叶素速度三角形及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 受力分析如图 2 所示，图中：W 为相对 速度，m s-1；、 分别为攻角、 扭角和入流角， （ ） ；b 为切向诱导因子； FL、FD 分别为叶素升力和叶素阻力， N；Fy=FDsin+FLcos，Fx=FLsin- FDcos。 图 2 叶素速度受力图 Fig.2 Velocity and forces of the bladeelement 相对速度 W 为 W=U（1-a）2+r（1+b） 2（6） 由叶素理论推得轴向力 F 和转矩 M 的表达式分别为 dF=12NcW2（CLcos+CDsin） dr（7） dM=12NcW2r（CLsin- CDcos）dr （8） 式中：c 为叶素截面弦长， m；N 为叶片数；CL 为升力系数；CD 为升力系数。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 2.3 叶素动量理论 叶素动量理论是由动量理论和叶 素理论耦合而成2-7。结合动量理论和 叶素理论推导的轴向推力和轴向力矩可 以得到诱导因子和弦长关系，即式（4） 、 （5）分别等于式（7） 、 （8） ，则可以得 到诱导因子和弦长关系为 a1-a=Nc （CLcos+CDsin） 8rsin2（9） b1+b=Nc（CLsin-CDcos） 4rsin（ 2） （10） 3 遗传算法优化模型 在宏观意义上，遗传算法是一种 仿生算法，它是模仿生物在自然环境中 的进化和遗传过程而形成的一种自适应 全局优化概率搜索算法。通过对原始群 体进行交叉、复制以及突变等遗传学操 作，并以目标函数为适应度，不断更新 种群从而得到最优个体14。最早由 Holland 于 1975 年提出这种不断更新迭 代得到最优个体的优化算法15。遗传 算法因其易实现性和通用性，使得其在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 工程问题中得到广泛应用16-23。 3.1 参数化曲线 叶片设计主要是为了获得沿叶片 展向扭角和弦长的分布规律，因此每段 叶素的弦长和扭角是遗传算法优化控制 变量。为减少控制变量以加快计算速度， 通过 Bezier 曲线定义弦长和扭角的分布 规律。在 Bezier 曲线中，设定控制点为 Qj（j=0、1、2、n） ，则 n 次 Bezier 曲线 Q（t）的方程23-25为 Q（t）=nj=0QjBj，n（t） （11） Bj，n（t）=Cj，ntj（1-t）n- j（12） Cj，n=n！j！（n-j）！（13） 式中，t0，1 。 扭角控制方法与弦长相同。以弦 长控制为例，弦长沿展向给定 5 个控制 点，通过 Bezier 曲线原理得到弦长沿叶 片展向分布规律。通过改变控制点纵向 位置来控制弦长的变化，以达到改变每 段叶素弦长的目的。弦长控制点如表 1 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 所示。Bezier 曲线如图 3 所示，其中 R 为叶轮半径，m。 表 1 弦长控制点 Tab.1 Control point of the chord 3.3 约束条件 在叶片径向位置定义控制点，弦 长和扭角变化曲线也就是控制点所定义 的 Bezier 参数化曲线。本文对于弦长和 扭角分别定义 5 个控制点，共 10 个控 制点，以弦长为例（如图 3 所示） 。需 要考虑洋流机在水流环境下的汽蚀现象， 并对汽蚀安全系数 Cf 进行约束。控制 点和避免汽蚀安全系数约束方程为 cmaxccpicmin tmaxtcpitmin K+Cpmin0（15） 式中：cmax 、cmin 分e 为最大 弦长和最小弦长， m；ccpi（i=1、2、3、4、5）为各弦长 控制点；tmax、tmin 分别为最大扭角和 最小扭角， （ ） ；tcpi 为各扭角控制点。 4 结果分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 叶片优化设计参数和遗传算法参 数如表 2 所示。 表 2 主要设计参数及遗传算法参 数 Tab.2 Main design parameters of the blade and its genetic algorithm configuration parameters 于 Wilson 设计叶片弦长，平均 减小约 16.2%。减小了叶片弦长从而很 大程度上减少了叶片质量，从而减轻了 叶片受到的重力载荷，不仅叶片的运行 安全得到了保障，而且节省了材料，从 而降低了发电成本。 如图 5（b）所示，优化设计叶片 叶根处扭角小于 Wilson 设计叶片，减 小了叶轮启动时所需力矩。更小的扭角 一定程度上减少了叶根弯矩，保障了叶 片的运行安全。 两种设计叶片在定速定桨距工况 下不同洋流速度