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。
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,y11,x12,y12,...,x1m,y1m,x21,x21,x22,y22,...,x2n,y2n,x01)[0040] 其中x00和x01分别为水翼1翼型前缘和后缘的切线大小，(x1m,y1m)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x1m为水翼上下翼型曲线2控制点6的横坐标，而y1m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σc的时候就会产生空化现象。
[0044] 空泡系数定义如下：
[0045]
[0046] 压力系数定义如下：
[0047]
[0048] 其中pv为空泡压力，pL为水翼1翼型表面压力，主要依赖于水的
温度。p0为局部压力，q为动压，V水流流速。
[0049] 空化现象是水轮机设计中所特有的问题，在潮流能水轮机运转过程中出现的空化现象可能会直接对水轮机结构产生破坏，从而影响水轮机的适用寿命和可靠性。因此需要尽可能降低潮流能水轮机产生空化现象的可能性。为了避免空化现象的产生，需要降低因此在进行水翼1设计时，应当尽可能使得水翼1上部的最大压力系数。但是压力系数有直接关系到升力系数和升阻比等水动力性能，升力系数可由压力系数沿着翼型曲线2进行数值积分获得。因此在优化模型中可以通过两方面来实现既可以避免空化现象，又不损失水动力性能的目的。一方面尽可能降低最大的压力系数，另一方面尽量使得压力系数沿翼型曲线2均匀分布。为了避免空化现象的产生，本发明提出将压力系数作为设计目标函数之一。
[0050] 最后，为了获得性能最优的水翼1翼型曲线2，目标函数综合了考虑升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数，结合设计变量，建立如下的翼型优化模型：
[0051] 目标函数:
[0052] f(x)＝f(CL,CL/CD,CD,Cpmax)
[0053] 约束条件：
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 其中CL、CL/CD、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。 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， 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上界。m和n分别为水翼上下翼型曲线控制点的数量。水翼1翼型曲线2上的控制点
6的控制点设计域7即为翼型上表面控制点6横坐标区间 和纵坐标区间
或者翼型下表面控制点6横坐标区间 和纵坐标区间 所围成的矩形范围，控制点6就在该范围内变化，并求解最优值。
[0061] 目标函数f(x)可以是水动力性能和压力系数的任意组合形式，在实际翼型设计中可以根据需要灵活选择。可选的目标函数型式有如下几种：
[0062] 1)f(x)＝w1CL+w2CL/CD+w3CD+w4Cpmax
[0063] 其中wi(i＝1...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≤wi≤1(i＝1,2,3)，在实际翼型设计中可以根据设计需要灵活选择。
[0064] 2)f(x)＝(w1CL+w2CL/CD+w3CD)Cpmax
[0065] 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≤wi≤1(i＝1,2,3)，在实际翼型设计中可以根据设计需要灵活选择。
[0066] 具体的目标函数也不限定以上三种型式，可以根据实际海域的需要灵活选择。并且升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数可以为单一任意攻角情况，也可以是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)。
[0067]
[0068] 其中，αu为水翼攻角大小， 为攻角大小为αu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。
[0069]
[0070] 其中ωu为权重系数，并且满足
[0071] 第二步，确定水动力系数和压力系数的计算方法和遗传算法的适应度函数。
[0072] 建立了优化模型之后，接下来对所建立的模型采用优化设计。为了准确评估水翼1的水动力性能，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。具体何种数值计算方法可以根据设计需要灵活选择。为了获得性能最佳的水翼1翼型曲线2，采用具有全局搜索能力的遗传算法，在遗传算法进行过程中，评估各设计方案的适应度函数对优化结果和计算
进程有重要影响。
[0073] 适应度函数是评估水翼1翼型水动力学的关键因素，涉及到寻优过程，在优化过程中根据适应度函数保留适应度高的解，淘汰适应度差的解。本发明采用如下式所示的适应度函数。
[0074]
[0075] 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s个设计方案的目标函数。
[0076] 第三步，生成初始种群，并拟合水翼1翼型曲线2。
[0077] 根据设计变量及其上下界，随机ss个初始设计方案(ss大于或等于10)，这一组初始设计方案为初始种群。将这一组初始设计方案生成拟合为水翼1翼型曲线2。为了能够准确描述翼型，并且又不能过多牺牲几何信息，拟合曲线的选取至关重要，多项式样条曲线能够显著减少设计变量的个数。本发明中主要采用了三次样条曲线，不同于一般的三次样条曲线拟合方法，本发明提出将控制点6的横坐标和纵坐标、前缘和后缘切线来拟合三次样条曲线，从而能够达到通过控制前缘和后缘切线大小并保持翼型良好的水动力性能的目的。但在具体实施中也不限定该拟合曲线的方式，也可以采用其他任何的曲线拟合方法。为了尽可能扩大搜索空间，在翼型曲线2上尽可能多的选择控制点6，采用每一个点的横坐标和纵坐标作为设计变量，通过翼型曲线2上的点以及前缘和后缘的切线来拟合翼型曲线
2。进而生成水翼1翼型曲线2。
[0078] 第四步，生成水翼1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。
[0079] 将所生成的水翼1翼型曲线2在AUTOCAD或者CATIA等几何处理软件中对曲线进行处理，生成
几何模型。将所生成的几何模型导入到ICEMCFD或者GRIDGEN或者GAMBIT等网格生成软件中，并在软件中建立水翼1翼型流体区域的网格模型。将所生成的网格文件导入到FLUENT或者CFX等流体动力学软件中，并计算相应的升力、阻力和压力，并将其输出，作为计算目标函数的依据。在本发明中为了提高计算效率，也可以采用XFOIL软件，该软件只需要几何曲线信息，不需要进行复杂的几何CAD信息和网格过程，因此能够大大提高计算效率。
[0080] 第五步，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，返回第三步。
[0081] 提取计算结果并计算种群中不同设计方案的目标函数，依据适应度函数对ss个不同设计方案的适应度进行评估，并对各个设计方案按照适应度进行排序，根据种群中各个设计方案的适应度和
迭代次数来判断是否收敛。若收敛，则结束计算，将种群中适应度最高的设计方案作为水翼1翼型曲线2的最优解。若不收敛，则需要按照如下方法重新生成新的种群。
[0082] 根据种群中ss个不同设计方案的适应度，按照一定的比例(5％-20％)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、后缘切线的顺序排列。将保留的较优的设计方案按照一定的比例(5％-20％)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。每一个设计方案编码成的二进制数如下式所示:
[0083] P＝[前缘切线翼型上表面m个横坐标和纵坐标翼型下表面n个横坐标和纵坐标后缘切线]
[0084] 其中前缘切线、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x00，第2到2m+1个为翼型上表面曲线横坐标和纵坐标，并且按照(x11,y11)(x12,y12)...(x1m,y1m)的顺序排列，第2m+2到2m+2n+1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,y2m)的顺序排列，最后一个为后缘切线x01。
[0085]
[0086] 将新种群中的设计方案从二进制编码解码为十进制数，并返回第三步，并忽略其中生成新种群的步骤。
[0087] 实施例1：
[0088] 为了验证本发明所提出的设计方法，对不同设计情况下的水翼翼型曲线进行了优化设计。对于潮流能水轮机，叶片沿展向的不同位置有着不同的设计要求，靠近翼尖位置，具有较高升阻比的薄翼型是较优的选择，并且在一个较宽的攻角范围内，必须具有较高的升力系数和升阻比，并且阻力系数应当尽可能的小。由于根部承受较大的载荷，为了保证桨叶具有足够的结构
刚度和强度，要求根部翼型具有较大的厚度。此外，为了避免空化现象，可能导致需要选择较厚的翼型。为了避免空化现象的产生，应当尽量降低最大压力系数。因此为了全面评估本发明所提出的潮流能水轮机翼型设计方法，采用Reynold数为1e6，目标函数为攻角为3°情况的升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数。在上下翼型曲线上各取三个控制点，一共六个控制点，每个控制点有横坐标和纵坐标两个设计变量，加上首缘和尾缘的切线一共有八个设计变量，初始种群数量选择了10个。
[0089] 基于本发明所提出的优化模型和求解方法，最终得到几种不同设计要求各种情况下的翼型曲线如图5所示。由图可知，以最小化阻力系数和最大化升力系数时，翼型曲线较为接近，最大化升阻比时最大厚度位于距翼型前缘35％处，最大厚度为弦长的8.8％；最小化阻力系数情况下，最大厚度距前缘35％，最大厚度为弦长的8.3％。对于水轮机而言，由于较大的升力部分为垂直于水轮机平面的推力，而转化为水轮机轴向旋转力比重较小。不同于升力系数，阻力系数的降低能够显著提高水动力性能，因此阻力系数在水轮机设计中有更为重要的作用。区别于前两种翼型，最大化升力系数和最小化最小压力系数所获得的翼型则有较大的不同。最大化升力系数情况下，翼型前部较厚，到后缘处翼型厚度减小，最大厚度位于距翼型前缘39％处，最大厚度为弦长的11.4％；而对于最小化最小
负压系数，最大厚度位于距翼型前缘52％处，最大厚度为弦长的8.8％。
[0090] 四种不同翼型在3°攻角情况下的表面压力系数如图6所示，由图可知，最小化压力系数时的压力分布最为均匀，最小值位于-0.5左右，可见最小化压力系数可以大大改善翼型表面的压力分布，能够尽最大可能避免空化现象的产生。最小化阻力系数和最大化升阻比情况下的翼型，最小压力系数为-1.1左右，两者较为接近。最大化升力系数情况下的最小压力系数峰值最小，达到-1.5左右，最有可能会越容易产生空化问题。
[0091] 不同设计目标函数情况下的升力系数、阻力系数和升阻比如图7-9所示。与翼型数据结果类似，最小化阻力系数和最大化升阻比所得到的两种翼型具有非常接近的水动力性能。以负压系数作为目标函数情况下，升力系数大大小于其他三种情况，阻力系数则与最小化阻力系数情况接近。尽管最大化升力系数具有较大的升力系数，但是阻力系数明显大于其他翼型，并且该翼型虽然在3°攻角情况下的具有最大的升力系数，但是随着攻角的增加，最大化升阻比和最小化阻力系数时的翼型具有更大升力系数。因此在进行翼型设计时，不能仅仅考虑一种攻角下的水动力性能，需要进行综合设计。
[0092] 由实施例可以得出，本发明所提出的水轮机水翼翼型设计方法不仅能够显著改善升力系数、阻力系数和升阻比，还能降低最大压力系数，从而达到提高水动力性能并避免空化现象的目的。
[0093] 上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
