一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，综合考虑包括升力系数、阻力系数、升阻比和空化现象等在内的水轮机叶片设计的各种要求，所选用的目标函数能够根据不同的设计要求对水轮机翼型进行综合评估。选取首缘切线、尾缘切线和翼型上下曲线上控制点的横坐标和纵坐标作为设计变量。采用了三次样条曲线，具有较高的拟合精度。采用了FLUENT或者CFX计算流体力学软件或者XFOIL翼型估算软件等对水翼翼型的水动力性能和压力分布等进行计算，充分保证了计算的准确性。水翼翼型设计方法基于遗传优化算法，能够获得全局最优解。本发明不但能够提高潮流能水轮机叶片翼型的水动力学性能，还能降低表面的最大压力系数，从而达到避免空化现象的目的。
【专利说明】一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种用于设计潮流能水轮机的叶片翼型设 计方法，可用于各类型水轮机翼型设计。
【背景技术】
[0002] 随着世界经济的发展，能源消耗越来越多。由于化石能源危机以及传统能源所带 来的环境污染和碳排放等问题，使得清洁的可再生能源日益重要。潮流能是一种非常重要 的新能源，具有可靠、周期性、分布广泛、且可持续等优点，潮流能将会在未来的能源中扮演 重要角色。为了利用潮流能，水轮机被采用作为主要的能量捕获装置。因此如何提高潮流 能水轮机的能力捕获效率成为了影响潮流能发电推广应用的关键因素。
[0003] 水翼翼型作为组成叶片外形最重要的因素之一，对潮流能水轮机的能量转化效率 有重要影响。目前，已知的翼型基本上都是考虑航空航天和风力机等设计要求所获得的，关 于潮流能水轮机的专用水翼翼型极少，而翼型设计方法更是少之又少。
[0004] 传统的在航空航天和风力机方面的应用的翼型设计方法主要存在两大问题：一是 水翼翼型有一些不同于航空航天和风力机的特定设计要求，在航空航天和风力机的翼型设 计方法不能适用；二是大部分设计方法大都基于单目标，而实际的翼型设计目标是非常复 杂的，需要考虑多目标才能获得合理的翼型；三是大部分设计方法是基于灵敏度分析的优 化方法，难以获得全局最优解。随着我国潮流能电站项目的开展，为了开发具有自主知识产 权的潮流能水轮机，必须建立完备的翼型设计方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出了一种潮流能水轮机叶 片翼型设计方法。
[0006] 为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 步骤一：根据设计要求确定设计变量和目标函数，建立水翼翼型优化模型；
[0008] 步骤二：确定水动力性能和压力系数的计算方法和遗传算法的适应度函数；
[0009] 步骤三：生成初始种群，并拟合水翼翼型曲线；
[0010] 步骤四：生成水翼翼型流体区域网格模型，计算并输出水动力性能，并输出升力、 阻力和压力等信息；
[0011] 步骤五：根据水动力系数和压力系数计算目标函数，依据适应度函数进行评估，判 断是否收敛，收敛则结束优化，否则生成新种群，返回步骤三。
[0012] 该方法综合考虑包括升力系数、阻力系数、升阻比和空化现象等在内的水轮机叶 片设计的各种要求，所选用的目标函数能够根据不同的设计要求对水轮机翼型进行综合评 估，选取首缘切线、尾缘切线和翼型上下曲线上控制点的横坐标和纵坐标作为设计变量，采 用了三次样条曲线，具有较高的拟合精度，采用了 FLUENT或者CFX计算流体力学软件或者 XFOIL翼型估算软件等对水翼翼型的水动力性能和压力分布等进行计算，充分保证了计算 的准确性，水翼翼型设计方法基于遗传优化算法，能够获得全局最优解。
[0013] 本发明的优点在于：
[0014] 1)相对于传统的水轮机设计方法，本发明综合考虑了水轮机水翼翼型设计的各个 方面，能够根据不同水域和海洋环境要求获得最佳的水翼翼型曲线。
[0015] 2)所提出设计方法中设计变量选择和曲线拟合方法能够准确描述真实的水翼翼 型曲线，能够尽可能的扩大设计空间，
[0016] 3)相对于传统优化方法，本发明所采用的遗传算法具有可行解表示广泛性、群体 搜索性、随机搜索性和全局性等有点，能够获得全局最优解。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明中的潮流能水轮机翼型设计方法流程；
[0018] 图2是本发明中的水翼翼型及其设计变量；
[0019] 图3是本发明中的目标升力系数曲线；
[0020] 图4是本发明中的水轮机水翼翼型的空化现象；
[0021] 图5是本发明中实施例中不同设计水翼翼型设计对比；
[0022] 图6是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的压力分布对比；
[0023] 图7是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的升力系数对比；
[0024] 图8是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的阻力系数对比；
[0025] 图9是本发明中实施例中不同设计目标函数情况下的升阻比对比；
[0026] 图中：
[0027] 1、水翼； 2、翼型曲线； 3、翼型中心线； 4、前缘；
[0028] 5、后缘； 6、控制点； 7、控制点设计域； 8、传统的升力系 数曲线；
[0029] 9、目标升力系数曲线
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0031] 如图1所示，本发明所提出的潮流能水轮机水翼1翼型设计方法包括了优化模块、 目标函数模块和性能计算模块。
[0032] 优化模块主要是生成初始设计方案，对新的水翼1翼型方案的水动力性能进行评 估，并在原有的设计方案基础上生成新的翼型设计参数。
[0033] 目标函数模块主要功能是根据水翼1翼型参数生成新的几何构型，从计算流体力 学分析结果中提取分析结果，并根据计算结果获得目标函数。
[0034] 性能计算模块的主要功能是根据几何构型生成离散网格数据，并采用FLUENT或 者CFX或者XFOIL软件计算水翼1翼型的升力系数、阻力系数和压力分布等，为目标函数模 块提供计算依据。
[0035] 依据以上三个模块，本发明采用遗传算法对潮流能水轮机水翼1翼型进行优化设 计，所提出的水翼1翼型优化方法计算按照如下步骤进行。
[0036] 第一步，根据设计要求确定设计变量和目标函数，建立水翼1翼型优化模型。
[0037] 设计变量直接涉及到水翼1翼型，因此如何选址取样点方法和曲线拟合方法尤为 重要。而目标函数的选取则直接关系到所设计出来的水翼1翼型的性能，需要根据设计需 要灵活设定。
[0038] 如图2所示为一个典型的水翼1，翼型中心线3连接在前缘4和后缘5之间，根据 初始设计方案在水翼1的翼型曲线2上选取至少四个以上的控制点6,控制点6为翼型曲线 2上的点，通过改变控制点6的横坐标或者纵坐标大小可以移动控制点6的位置，从而可以 改变翼型曲线2形状，进而达到改善水翼1水动力性能的目的，控制点设计域7为控制点6 的横坐标和纵坐标上下界所围成的设计空间，其中水翼上下翼型曲线2上分别取m和n个 控制点，为了控制水翼1前缘和后缘的形状，将前缘和后缘的切线也作为设计变量，设计变 量X如下式所示。
[0039] X - (x00, X11, yn, x12, y12, ? ? ? , xlm, ylm, x21, X21，X22,又22, ? ? ?，X2n，y2n，X01)
[0040] 其中Xcitl和Xtll分别为水翼I翼型前缘和后缘的切线大小，（X lni, ylD1)和（x2n, y2n)分 别为水翼上、下翼型曲线2上的控制点6坐标，x2n和Xlni为水翼上下翼型曲线2控制点6的 横坐标，而ylm和y2n为水翼上下翼型曲线2控制点6的纵坐标。
[0041] 水轮机叶片沿展向方向不同位置有着不同的设计要求，靠近桨叶外侧部位，要求 翼型具有较大的升力系数和升阻比，以及较小的阻力系数，使得采用较小的弦长就可以达 到指定的水动力载荷。从水动力学设计的角度，翼尖区域的升阻比是最为重要的参数。由 于水轮机所受到的载荷较大，为了满足结构设计的要求，一般采用较厚的翼型。由于靠近翼 根部位承受了极大的载荷，为了布置结构的需要，因此必须对翼型厚度有特别要求，但此时 又会牺牲较大的水动力性能。为了使水轮机的水动力性能达到最优，因此在沿着翼展方向 布置不同的翼型，需要根据不同设计要求来设计特定的翼型。因此本发明将设计目标分为 两类，一类是基本的水动力性能，包括了升力系数、阻力系数和升阻比，直接关系到水轮机 的能量转换效率；第二类为压力系数，直接关系到空化现象，可能影响水轮机的使用寿命和 可靠性。
[0042] 首先对于水动力性能。对于风力机领域的翼型，风力机叶片可能处于失速区域，当 攻角到达失速点后，气动效率可能急剧下降。如图3所示为传统的升力系数曲线8和目标 升力系数曲线9的对比，传统的翼型在失速点附近可能会导致升力系数的急剧下降，会对 潮流能水轮机的能量利用效率产生影响，因此并不适合作为水轮机水翼1翼型。对于潮流 能水轮机，在设计中更希望水动力性能不要随着攻角的变化过于剧烈，尤其是在失速区域。 因此本发明提出在具体的翼型设计中要求分离点随着攻角的增加而缓慢向后缘移动，具体 表现为将目标升力系数曲线9的升力系数随着攻角的增加而缓慢变化，充分保证水轮机性 能。此外，阻力系数、升阻比等同样也会对水轮机水翼1水动力性能产生重要影响。为了设 计出性能最佳的水翼1翼型，这就要求目标函数考虑多个多种工况下的升力系数、阻力系 数、升阻比和压力系数等水动力性能，开展综合优化设计。
[0043] 其次对于压力系数问题。当某一流体区域的压力小于空化压力值时就会形成气 泡。空泡是由于一个空气泡在水中迅速破裂，产生了一个冲击波。通过类型空泡通常发生 在抽水机、螺旋桨和叶轮等机械结构中。从流体设计的角度来看，由于水轮机叶片压力的原 因所造成的空化空泡问题应当在水轮机叶片翼型设计中考虑到，因为由惯性空泡的破裂所 产生的冲击波可能会对水轮机结构产生重要破坏。如图4所示为水翼1上空化现象的产生 条件，压力系数分布随着弦向位置分布会出现一个最大值，当水翼1上的压力系数Cp大于 空化系数O。的时候就会产生空化现象。
[0044] 空泡系数定义如下：
【权利要求】
1. 一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：根据设计要求确定设计变量和目标函数，建立水翼翼型优化模型； 其中， 目标函数： f(x) =f(CL,CL/CD,CD,CpfflJ设计变量： X - (x00) Xll) Yll) X12> yi2> ? ? ? ) Xlm> yim) X21> X21> X22> 5^22) ? ? ? ) X2n> 5^211) X0l) 约束条件：
其中，Q、cycD、cD和cp_分别为任意攻角情况下的升力系数、升阻比、阻力系数和最大 压力系数，均为设计变量X的函数； 4、4、<、％、<_和分别为前缘、尾缘、翼型上表面控制点横坐标、翼型 上表面控制点纵坐标、翼型下表面控制点横坐标和翼型下表面控制点纵坐标的下界， ?4、4、4、乂:、4和成分别为前缘、尾缘、翼型上表面控制点横坐标、翼型上表面控制 点纵坐标、翼型下表面控制点横坐标和翼型下表面控制点纵坐标的上界；m和n分别为水翼上下翼型曲线控制点的数量； Xcici和分别为水翼翼型前后缘切线，（xlD1，ylD1)和（x2n，y2n)分别为水翼上下翼型曲线 上的控制点坐标，x2n和xlm为水翼上下翼型曲线控制点的横坐标，而ylm和y2n为水翼上下翼 型曲线控制点的纵坐标； 步骤二：确定水动力性能和压力系数的计算方法和遗传算法的适应度函数； 步骤三：生成初始种群，并拟合水翼翼型曲线； 步骤四：生成水翼翼型流体区域网格模型，计算并输出水动力性能，并输出升力、阻力 和压力等信息； 步骤五：根据水动力系数和压力系数计算目标函数，依据适应度函数进行评估，判断是 否收敛，收敛则结束优化，否则生成新种群，返回步骤三。
2. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，目标函 数f(X)采用以下形式： f(x) =w1CL+w2CL/CD+w3CD+w4Cpmax 其中Wi(i =L..4)分别是升力系数、升阻比、阻力系数和最大压力系数的权重，并且 满足
和0彡Wi彡1(i= 1，2, 3)。
3. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，目标函 数f(X)采用以下形式： f(x) = (WiCL+W^L/C^Cn)Cpmax 该目标函数为翼型水动力性能和压力系数的积，其中Wi(i= 1... 3)分别是升力系数、 升阻比和阻力系数的权重，并且满足
和0彡Wi彡1(i= 1，2, 3)。
4. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，目标 函数可以采用如下式所示的多个攻角情况下各个水动力系数和压力系数函数的组合函数 g(x),
其中，au为水翼攻角大小，/(〇 = 1二…A')为攻角大小为au情况下的水动力性能 目标函数，v为目标函数中所选择的攻角数目，组合函数g(x)可以综合考虑任意个攻角情 况下水动力性能参数，并且可以采取任意型式的组合方式，优选的可以采取如下式所示的 加权求和方法：
其中为权重系数，并且满足
5. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，采用 FLUENT或者CFX或者XFOIL数值仿真程序计算升力系数、阻力系数、升阻比和压力分布。
6. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，步骤二 中所述适应度函数采用如下形式：
其中h(s)为第s个设计方案的适应度，ss为种群中的设计方案数量，f(xs)为第8个 设计方案的目标函数。
7. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，步骤三 中采用水翼翼型曲线上控制点的横坐标和纵坐标、翼型前缘和后缘切线来拟合水翼翼型曲 线。
8. 根据权利要求1所述的一种潮流能水轮机叶片翼型设计方法，其特征在于，步骤五 中生成新种群的方法为： 根据种群中ss个不同设计方案的适应度，按照5% -20 %的比例淘汰适应度低的设 计方案，然后将种群中的各个设计方案采用二进制数进行编码，某一个设计方案中的所有 2m+2n+2个设计变量编码成为一个二进制数，并按照首缘切线、翼型上表面曲线横坐标和纵 坐标、尾缘切线、以及翼型下表面曲线横坐标和纵坐标的顺序排列；前缘切线、翼型上表面 曲线横坐标和纵坐标、翼型下表面曲线横坐标和纵坐标、后缘切线分别采用一个二进制数 表示。具体表达式如下，第一排表示转换后的二进制数，第二排表示设计变量在编码成的二 进制数中的编号，一共有2m+2n+2个设计变量，第1个为前缘切线X(KI，第2到2m+l个为翼型 上表面曲线横坐标和纵坐标，并且按照（Xll，yil)(x12，y12)... (Xlm，yJ的顺序排列，第2m+2 至IJ2m+2n+l个为翼型下表面曲线横坐标和纵坐标，并且按照（x21，y21) (x22,y22). . . (x2m，yj 的顺序排列，最后一个为后缘切线xcu，其在二进制数中的编号为2m+2n+2，
将保留的较优的设计方案按照5% -20 %的比例进行变异和杂交操作以获得新解，从 而保证种群数量ss不变。
【文档编号】G06F17/50GK104408260SQ201410729327
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】任毅如, 张田田, 方棋洪, 文桂林, 曾令斌 申请人:湖南大学