海流能发生器叶片翼型水动力学性能分析

海流能发生器叶片翼型水动力学性能分析

1海流能转换中的失速特性由于海流能能量密度高、预测强、载荷稳定、储量丰富等优点，已成为国内外海流能开发利用的中心概念之一。其开发利用技术的主要特点是:通过利用海流以一定的速度和攻角冲击流线型的海流能转换器叶片以获取水流动能并转换为机械能,用以带动发电机发电。因此,海流能转换器叶片是海流能开发利用的核心组成部分,其水动力学性能优劣成为海流能开发利用成功与否的关键。要提高海流能转换器叶片的能量捕获效率,关键要素之一就是要设计出高效的叶片结构。叶片在强度满足水下工作环境要求的前提下,既要有较高的升力系数和较低的阻力系数特性,还要有延迟的失速特性。失速是影响海流能转化器叶片动力设计的关键问题之一。叶片的失速特性与翼型密切相关。当翼型攻角(α)增大到一定程度,水流在通过翼型的上翼面时就会产生边界层分离。当水流从翼型表面抬起时,又会卷成一个封闭的分离漩涡,使翼型的升力减小,阻力增大造成失速。翼型的失速类型包括薄翼失速、前缘失速和后缘失速等。目前,对海流能的开发利用在我国以及国际上都还处于初始阶段,是一个崭新的课题。在叶片设计过程中,如何从叶片结构上提高叶片的捕能效率并避免叶片的空化问题,尚未形成系统化的理论。从上世纪七十年代我国何世钧工程师的螺旋桨叶轮机构到近几年浙江大学的“水下风车”叶轮机构,或是沿用船用螺旋桨结构,或是采用目前研究比较成熟的风力机叶片设计理论,都未对海流能转换器专用叶片的设计技术进行深入研究,这就大大影响了海流能转换器的叶轮捕能效率。首先,船用螺旋桨结构的设计是基于船舶快速行进的目的,其设计的额定工作转速一般都比较高,根本不适合作为低速大扭矩的海流能转换器的叶轮。另一方面如果完全照搬风力机叶片的设计技术,由于水与空气介质特性的不同及其引起的叶片变形程度的不同,使设计出来的叶片结构很可能达不到所期望的水动力学要求。其次,在水中旋转的叶片会产生空化现象,尤其叶片长度比较大时空化现象更加严重。针对这些问题,国际上一些大学和研究机构虽已经做了一些相关研究,但是还不能够形成海流能转换器叶片的设计理论。因此,研究海流能转换器叶片翼型在水流中的失速和水动力特性对海流能的开发利用有着十分重要的意义。本文基于浙江工业大学水力学实验室设计的海流能转换器叶片,利用FLUENT流体模拟软件对其NACA4415翼型在攻角分别为-4º、0º、4º、8º、14º、16º和20º时的升阻力特性和失速特性进行二维数值模拟,得出翼型周围流场的速度分布、压力分布、翼型的失速特性以及水动力特性与攻角α的关系,旨在为设计高效海流能转换器叶片奠定理论基础。2计算方法2.1k-紊流模型由于k-ε模型对于处理贴近壁面附近的流动计算是很有效的,在参考相关资料的基础上,故本模拟采用k-ε紊流模型。标准k-ε模型是由Launder等人在1972年提出来的,它是在紊动能k方程的基础上,引入关于紊动能耗散率ε的方程后形成的双方程模型,是目前使用最广泛的紊流模型:ε方程其中μt为紊动粘性系数,Gk是紊动能生成率,而方程中的模型常数取默认值:2.2计算网格和控制方程采用FLUENT软件的前处理软件GAMBIT对NACA4415翼型进行几何建模,取其弦长为1m。为了让来流发展充分,避免由于计算区域过窄或过小而对计算结果产生负面影响,计算区域采用半圆加矩形区域,翼型上游半圆半径为10倍弦长,翼型下游长度和宽度同样采用10倍弦长。计算区域如图1所示。由于网格划分对计算结果有着重要影响,所以计算前期采用不同网格数目对同一攻角下翼型特性进行了计算对比,结果表明计算区域整体采用结构网格,计算过程中,采用局部加密的方法,对翼型周围流场网格进一步加密,能够很好的满足计算要求,翼型计算网格局部放大图如图2所示。不同攻角情形下,本模拟所划分网格数均为50050。计算区域的边界包括固壁表面为无滑移条件的固壁边界、速度进口和自由出流出口。计算时,设定无限远处水流来流速度为2m/s,通过旋转翼型的方式来实现攻角的变化,计算的攻角分别为-4°、0°、4°、8°、14°、16°和20°。来流水流常温下的粘性系数ν=1.004×10-6m2/s,设定雷诺数为1.992×106。计算基于标准的k-ε模型,并采用非平衡壁面函数的近壁面处理和二维稳态分离解法的隐式解法。在控制方程的离散格式上,压力插值采用Standard方式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法。为了提高计算精度,动量方程、紊动能k方程和耗散率ε方程均采用二阶迎风格式。流场的连续性、x和y方向的分量紊动能k方程和耗散率ε的残差收敛标准设为l×10-4。翼型计算中翼型的升阻力系数是重要计算结果之一,所以计算中还须打开翼型的升力系数和阻力系数的收敛监测窗口,并且认为残差变化趋近于直线时的结果是收敛和可靠的。3结论分析3.1来流攻角的影响(1)对比速度等值线图可知,随着翼型攻角的增大,翼型前缘附近的等速线环发生了局部变化。失速前,翼型上表面的等速环逐渐扩大,失速和深失速时该部分等速环会因局部表面涡的产生而减小。翼型下表面的等速环则对应先减小后扩大的变化趋势。翼型前缘处的等速环也受到了一定程度的影响,但变化规律比较复杂,与前两者均相关。(2)当翼型攻角为-4度时,如图3(a)所示,翼型上下表面速度等值线场近似相同,表明翼型在该攻角下受到的合力近似为零,此点与翼型的零升力线理论相符。当翼型攻角为14度时,如图3(g)所示,翼型上表面的等速环缩小,并靠近前缘部分,在后缘部分翼型表面附近出现了不规则的等速环,且速度较低。翼型下表面的等速环被推移到翼型的后缘,并且变扁大。(3)随着翼型攻角的不断增大,计算区域内的最大速度值增大,最大流速由攻角为-4度时的2.803204m/s,增加到攻角为20度时的3.969553m/s,这与翼型的失速理论相符。(4)当翼型来流攻角为0度时,情况就不同了,如图3(d)所示,来流沿翼型上下表面流过,几乎没有边界层分离现象产生。然而当翼型攻角不为0度时,情况就不同了:当来流攻角为负攻角时,如图3(b)所示,翼型上下表面均有轻微的分离现象产生,且下表面比上表面的分离现象略微明显;当来流攻角为正攻角时,如图3(f~j)所示,随着来流攻角的增大,翼型上表面来流分离现象越来越严重,但下表面均无分离现象发生。当攻角达到14度时,在翼型上表面后缘处有很明显的漩涡形成。攻角大于14度之后,随着攻角的增加,流体与翼型表面的分离现象更加明显,而且边界层分离现象向上游逐渐扩展。在攻角为20度时,大概在距前缘12处就发生了边界层分离现象,而且在翼型上表面有二次漩涡形成。3.2翼型攻角的影响翼型压力分布特性通常用无量纲压力系数Cp表示,式中v∞为来流速度,p∞为来流静压。图4所示是攻角为-4°、0°、14°和20°攻角情形翼型上下表面压力系数分布曲线的计算结果。由图4可知,随着翼型攻角的增大,翼型上下表面压力系数曲线由交叉变为明显分离,且与翼型上表面的压力系数相比,翼型下表面的压力系数逐渐变小。一方面,这意味着翼型下表面的平均静压绝对值要大于翼型上表面的平均静压绝对值,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,这意味着翼型上表面的平均水流流速要明显高于翼型下表面的平均水流流速。当翼型攻角为-4°时,翼型上下表面的压强近似相等,这与零升力线的理论相符。当翼型攻角为14°时,翼型上表面的压强先增大后减小,其原因是因为失速,翼型表面局部产生了漩涡。3.3来流攻角对翼型表面的影响由图4可知,当翼型的来流攻角处于-4°到14°区间时,翼型的升力系数一直增大,其原因是随着攻角的增大,翼型下表面受到的力逐渐增大,而上表面受力逐渐减小造成的。当来流攻角在14°至20°区间内时,翼型的升力系数减小,其原因是由于14°左右为翼型的失速攻角,当来流攻角大于14°时,翼型上表面的水流脱离翼型表面形成漩涡,致使翼型受到的升力减小,阻力增大。该计算结果与翼型动力特性曲线吻合很好。由图5可知,翼型在攻角为0°和8°情形下为全附着流动,翼型上下表面均没有发生边界层分离现象。随着攻角的增大,翼型上表面来流分离现象越来越明显,当攻角达到14°度时,在翼型上表面后缘处有很明显的漩涡形成。攻角大于14°之后,翼型尾缘上表面分离流动越来越严重,漩涡越来越大,且逐渐向翼型前缘处发展,这使得速度降低,翼型表面环量降低,升力减小,阻力增加。攻角达到20°时,分离涡在后缘诱导出反向的尾缘分离涡,翼型上表面存在两个旋转方向相反的尾缘分离漩涡,此时翼型表面环量继续降低,升力也继续降低,但翼型下表面均无分离现象发生。3.4翼型攻角对翼型升力系数的影响翼型剖面的升力系数Cl和阻力系数Cd是翼型动力特性的重要指标,它们的定义是式中:ρ为流体密度;v∞为无穷远来流速度;l为弦长;Fl和Fd为翼型的升力和阻力。数值计算时,在来流方向不变的情况下,通过改变翼型攻角来得到不同攻角情形下的翼型的升阻力系数值。在直角坐标系下,图6给出了翼型的升力系数Cl和阻力系数Cd与攻角α的关系曲线。由图6可知:(1)当翼型的来流攻角从-4°变化到14°时,翼型的升力系数随着攻角α的增大而增大,而且近似呈线性增长趋势;当攻角大于14°之后,随着攻角的进一步增大,升力系数出现减缓甚至减小的趋势。(2)翼型的阻力系数随着攻角α的增大,也逐渐增大,近似呈二次抛物线形式。通过拟合各点数值可以得到阻力系数Cd和攻角α的关系曲线,综上可知,海流能转换器叶片翼型达到最佳升阻力特性攻角(即叶片翼型捕获海流能效率最高的攻角)为14°。4amapx-rs实验本实验是在浙江工业大学水力学实验室大型有机玻璃水槽中进行的。实验装置主要是由涡轮机组成,其海流能转换器的叶片是由不锈钢板经数控机床精加工制成。实验运行由两台并联变频水泵为水槽供水,流速由SonTek声学多普勒测速仪(ADV)量测,转速用PHOTRONFASTCAMAPX-RS高速摄影机在HMI-DCI1000W无频闪光源下观察记录,实验装置照片如图7。本实验通过研究自由流情形相对于水流来流方向的偏流角α分别为-10°、-5°、0°、5°、10°和15°情形下涡轮机的转速,旨在揭示海流能转换器叶片翼型的动力特性与攻角的关系。为便于对各偏流角之下转速的变化趋势进行对比分析,需对涡轮机转速进行无量纲化处理。为此以偏流角为-10°时涡轮机转速n0为基数进行无量纲化处理。图8给出涡轮机转速与偏流角的关系。由图8可知,偏流角从-10°增大到5°时,涡轮机转速逐渐增加;偏流角大于5º之后,涡轮机转速急剧下降。这与叶片翼型的攻角有关。当偏流角为5°时,该翼型叶片的升阻力特性最好,偏流角大于5°之后,受叶片失速特性的影响,涡轮机转速急剧下降。由于本实验所用叶片的安装攻角为10°,综上可知该翼型叶片升阻力特性最佳的攻角为15°,这与本文数值模拟结果吻合良好。5模拟计算结果通过