一种水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性预测方法

1.本发明涉及潮流能发电领域，特别是涉及一种水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性预测方法。


背景技术：

2.当前，大部分国家主要通过消耗化石燃料来满足日益增长的能源需求，由此产生的温室气体排放和全球变暖问题已引起全世界范围的广泛关注，逐步意识到有必要将可再生能源纳入化石燃料的替代能源政策中。潮流能以其功率密度大、可预测性强、对电网冲击小等优点，成为继水电、风电和光伏发电之后最具有商业化前景的海洋新能源技术。而水平轴型式又以其较高效率和已经在风电行业得到有效验证的优势在全球潮流能发电装置中大约占据76％的份额，并且这一份额还在持续增长。
3.但要实现这一领域的商业潜力还有很多障碍需要克服，影响水平轴潮流能水轮机水动力性能的使役环境复杂性主要体现在叶轮进口流场存在波浪运动、不规则海床引起的高湍流强度水平和非均匀来流等典型非稳态现象，这导致转子在运行时经受了大幅度负荷波动，一个转子的叶片可能经历失速延迟，负载滞后和动态失速，这可能导致动态和疲劳失效。因此，准确预测非稳态载荷至关重要。
4.目前国内外对于水平轴潮流能水轮机叶片的非定常载荷预测方法存在的问题有：一是水轮机的使役环境的模拟不够真实，大多对于波浪、剪切流和湍流的影响仅考虑其中一到两种因素，不够全面。二是将叶轮简化为从叶根到叶尖等厚，这与实际叶轮存在较大的偏差，实际叶轮的相对厚度从叶根到叶尖逐渐变薄，因此预测的结果与实际有一定的偏差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，为了预测非等厚水平轴潮流能水轮机运行在真实海洋环境中叶片的非定常特性，本发明提出一种预测非等厚水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性的方法，该方法综合考虑了波浪、剪切流和湍流的影响，以及动态失速和三维旋转增强效应，为水平轴潮流能水轮机在设计过程中的强度校核提供参考。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.一种水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性预测方法，包括以下步骤：
8.步骤一：获取叶片型线参数，包括弦长分布、节距角分布和厚度分布；
9.步骤二：将叶片分为多个叶素，计算每个叶素的静态参数和动态参数；
10.步骤三：在均匀来流的基础上，叠加幂次定律合成的剪切流、利用stokes波浪理论合成的波浪和利用湍流谱方式合成的湍流，得到合成的入流；
11.步骤四：将l-b动态失速模型、合成的入流与稳态叶素动量理论模型三者耦合，形成瞬态叶素动量理论模型，并通过循环计算得到叶片受到的非定常特性；
12.通过循环计算叶片受到的非定常特性的具体步骤如下：
13.(1)通过合成的入流计算得到叶片不同半径处叶素的攻角；通过l-b动态失速模型
计算得到的叶素的升力系数和阻力系数；
14.(2)考虑三维旋转增强效应，得到叶片叶素的实际升力系数和阻力系数；
15.(3)通过实际升力系数和阻力系数计算每个叶素受到的力和力矩，再沿展向积分得到叶片受到的非定常力和力矩。
16.进一步地，所述静态参数包括叶素在不同攻角下的升力系数cl、阻力系数cd、法向力系数cn和静态失速开始攻角α
ss
、零升力阻力系数cd0以及法向力系数线性区斜率cn
α
；所述动态参数包括临界动态失速开始攻角α
ds0
、恒定时间延迟常数t
α
和涡旋转移的时间t
vl
。
17.进一步地，合成剪切入流优选采用1/7幂次定律
[0018][0019]
其中，u
xshear
为合成的剪切入流，u
hub
为叶轮轮毂处的平均速度，z为建立在轮毂中心处的笛卡尔坐标系的z方向距离，坐标系指向水平面为正，h为轮毂的安装水深，γ＝1/7；h为水轮机所在位置处的水深。
[0020]
进一步地，波浪的合成采用stokes二阶波浪理论
[0021][0022][0023]
其中hs是波高,g是重力加速度,k是波数，ωa是角速度波频率,
[0024][0025]
其中，ta是波周期；hs是波高,g是重力加速度,j是波数，ωa是角速度波频率,u
xwave
表示波浪引起的流向速度；u
zwave
表示波浪引起的垂向速度。
[0026]
进一步地，湍流的合成采用冯卡尔曼谱方式，其中流向为x方向，其速度谱s
x
为
[0027][0028]
其中，l
x
为x方向的长度尺度,σ
x
为x方向的标准差，σ
x
＝i
xux
，其中，i
x
是流向湍流强度；u
x
为流向平均速度；n表示无量纲频率，n＝l
xft
/u
x
，f
t
为湍流频率分量；
[0029]
y方向的速度谱sy为
[0030][0031]
其中，σy＝r
t
σ
x
，ly为y方向的长度尺度；ly＝r
t
l
x
，r
t
各项异性比，这里r
t
＝1；σy为y方向的标准差；
[0032]
z方向的速度谱sz＝sy；
[0033]
则各方向的湍流合成速度为
[0034][0035]
其中，i表示x,y,z三个方向，δf
t
是频率间隔大小，n是f
t
的个数，φj是随机相位角，它的范围为0到2π。
[0036]
进一步地，利用xfoil计算叶素的静态参数，计算步骤如下：
[0037]
(1)利用xfoil计算局部攻角下的叶素的升力系数cl和阻力系数cd；局部攻角选取-20
°
到30
°
，每隔1
°
计算一次；
[0038]
(2)通过viterna外推法计算得到-180
°
到180
°
攻角下的升力系数和阻力系数；
[0039]
(3)通过升力系数cl和阻力系数cd转化或者提取得到其他静态参数。
[0040]
进一步地，临界动态失速开始攻角α
ds0
和恒定时间延迟常数t
α
的关系式为：
[0041]
α
ds
＝α
ds0
+t
α
*r
[0042]
其中r为折合频率；α
ds
表示动态失速开始攻角；
[0043]
通过fluent计算叶素的动态参数，计算步骤如下：
[0044]
(1)计算不同折合频率下叶素的动态失速开始攻角α
ds
；
[0045]
(2)通过线性拟合不同折合频率和动态失速开始攻角α
ds
的曲线，得到临界动态失速开始攻角α
ds0
和恒定时间延迟常数t
α
；
[0046]
(3)通过下式计算涡旋转移的时间t
vl
[0047][0048]
其中，v为入流速度，c为叶素的弦长，tf为动态失速涡脱落的时间，t0为动态失速开始时间，这两个时间在fluent计算的翼型动态失速特性中提取得到。
[0049]
本发明的有益效果如下：
[0050]
本发明提出的水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性预测方法，综合考虑了波浪、剪切流和湍流的影响，以及动态失速和三维旋转增强效应，预测结果与实际情况更相符，可为水平轴潮流能水轮机在设计过程中的强度校核提供参考。
附图说明
[0051]
下面结合附图与具有实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0052]
图1是本发明的流程示意图；
[0053]
图2为本发明实施例的流程示意图；
[0054]
图3是某水平轴潮流能水轮机叶片型线参数图；
[0055]
图4是叶片150个叶素的升阻力系数分布；其中，图(a)为150个叶素的升力系数；图(b)为150个叶素的阻力系数；
[0056]
图5是在翼型做正弦振荡运动示意图；
[0057]
图6是稳态bem模型验证；
[0058]
图7是叶轮的非定常功率系数cp模型预测和cfd计算对比图；
[0059]
图8是叶轮的非定常推力系数ct模型预测和cfd计算对比图。
具体实施方式
[0060]
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0061]
如图1和2所示，本发明的水平轴潮流能水轮机叶片非定常特性预测方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤一：获取叶片型线参数，包括弦长分布、节距角分布和厚度分布，如图3所示；
[0063]
步骤二：将叶片分为多个叶素，计算每个叶素的静态参数和动态参数；
[0064]
在该实施例中，将叶片分为150个叶素，等间隔选取15个叶素作为主叶素，通过xfoil和fluent计算主叶素的静态参数和动态参数，然后其他未计算的叶素通过插值获得。
[0065]
其中，静态参数包括翼型在不同攻角下的升力系数cl、阻力系数cd、法向力系数cn、静态失速开始攻角α
ss
、零升力阻力系数cd0和法向力系数线性区斜率cn
α
。动态参数包括临界动态失速开始攻角α
ds0
、恒定时间延迟常数t
α
和涡旋转移的时间t
vl
。在计算静态和动态参数时，通过xfoil和fluent只计算15个主要叶素，在求取各叶素的静态参数时xfoil需要计算局部攻角下的翼型静态升力系数cl和阻力系数cd，局部攻角建议选取-20
°
到30
°
，每隔1
°
计算一次，计算得到局部攻角的升力系数和阻力系数之后通过viterna外推法计算得到-180
°
到180
°
攻角下的升力系数和阻力系数，如图4所示。其他静态参数可以通过升力系cl数和阻力系数cd转化或者提取得到。利用fluent计算动态参数主要是控制叶素做正弦振荡运动诱发动态失速，运动示意图如图5所示。然后得到叶素的动态升力系数cl、阻力系数cd和力矩系数cm随攻角的变化规律，通过动态特性提取动态失速开始攻角α
ds
和涡旋转移的时间t
vl
通过计算不同折合频率r下的动态特性得到不同折合频率下的动态失速开始攻角α
ds
和涡旋转移的时间t
vl
，通过关系式α
ds
＝α
ds0
+t
α
*r得到临界动态失速开始攻角α
ds0
和恒定时间延迟常数t
α
。一般计算折合频率为0.01-0.05中的三到五个点即可，当然计算越多拟合越精确。未计算的叶素通过插值获得。
[0066]
步骤三：在均匀来流的基础上，叠加幂次定律合成的剪切流、利用stokes波浪理论合成的波浪和利用湍流谱方式合成的湍流，得到合成的入流。
[0067]
在本实施例中，合成剪切入流优选采用1/7幂次定律
[0068][0069]
其中，u
xshear
为合成的剪切入流，u
hub
为叶轮轮毂处的平均速度，z为建立在轮毂中心处的笛卡尔坐标系的z方向距离，坐标系指向水平面为正，h为轮毂的安装水深，γ＝1/7；h为水轮机所在位置处的水深。
[0070]
波浪的合成采用stokes二阶波浪理论
[0071][0072][0073]
其中hs是波高,g是重力加速度,k是波数，ωa是角速度波频率,uxwave
表示波浪引起的流向速度；u
zwave
表示波浪引起的垂向速度。
[0074]
湍流的合成采用冯卡尔曼谱方式，其中流向为x方向，其速度谱s
x
为
[0075][0076]
其中，l
x
为x方向的长度尺度,σ
x
为x方向的标准差，σ
x
＝i
xux
,其中i
x
是流向湍流强度；u
x
为流向平均速度；n表示无量纲频率，n＝l
xft
/u
x
，f
t
为湍流频率分量；
[0077]
y方向的速度谱sy为sy[0078]
其中，σy＝r
t
σ
x
，ly为y方向的长度尺度；ly＝r
t
l
x
，r
t
各项异性比，这里r
t
＝1；σy为y方向的标准差。
[0079]
z方向的速度谱sz＝sy。
[0080]
则各方向的湍流合成速度为
[0081][0082]
其中i表示x,y,z三个方向，δf
t
是频率间隔，n是f
t
的个数，φj是随机相位角，它的范围为0到2π；
[0083]
步骤四：将l-b动态失速模型、合成的入流与稳态叶素动量理论模型三者耦合，形成瞬态叶素动量理论模型，并通过循环计算得到叶片受到的非定常特性；
[0084]
通过循环计算叶片受到的非定常特性的具体步骤如下：
[0085]
(1)通过合成的入流计算得到叶片不同半径处叶素的攻角；通过l-b动态失速模型计算得到的叶素的升力系数和阻力系数；
[0086]
(2)考虑三维旋转增强效应，得到叶片叶素的实际升力系数和阻力系数；
[0087]
(3)通过实际升力系数和阻力系数计算每个叶素受到的力和力矩，再沿展向积分得到叶片受到的非定常力和力矩。
[0088]
本发明的方法命名为hatt-ulpm，如图6所示，通过与cfd仿真结果对比定常叶素动量理论(bem)计算的功率系数cp和推力系数ct，验证本方法应用的稳态bem模型的正确性。如图7和图8所示，在相同的非定常入流条件下，与cfd对比，应用hatt-ulpm计算的cp和ct与cfd仿真结果拟合度较高，从而验证了该方法预测的叶片的非定常特性的准确性。
[0089]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。