基于正交實驗的臥式浪流發電輪機葉片分析

王世明，趙 飛，田 卡

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

基于正交實驗的臥式浪流發電輪機葉片分析

王世明，趙 飛，田 卡

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

基于現有波浪能和潮流能發電裝置研究現狀，為達到波浪和潮流同時利用的目的，設計了一種以臥式輪機形式同時吸收水平波浪螺旋力和潮流能動力的新型浪流發電裝置。通過正交試驗設計得到三指標最佳葉片參數組合后，進行FLUENT 流場分析，從流體角度出發，在其扭矩、推力以及輪機功率三方面對比分析，闡明了葉片參數對于輪機流場的作用趨勢，并以此趨勢為參考擇出最佳模型。后期水槽實驗有效驗證了該臥式浪流輪機的浪流結合吸收的可行性。

波浪能；潮汐能；FLUENT；水槽實驗；正交試驗

Abstract：Based on the existing wave and tidal current energy generation device’s research status and in order to reach the goal of utilizing both wave and tide,a new wave flow turbine generating apparatus is designed in the form of a horizontal device,absorbing both level wave spiral force and tidal current energy.According to the orthogonal experimental design,the best three-index combination of turbine blade parameters are for FLUENT flow field analysis.By comparing different torques,thrusts,and turbine powers,this paper illuminates the blade parameters’ effects on the trend of turbine flow field,and chooses the best model.At last,the flume experiments confirm effectively that the horizontal flow turbine is feasible for absorbing wave and tidal current.

Keywords：wave power; tidal current power; FLUENT; flume experiments; orthogonal experiment

基于現有波浪能和潮流能發電裝置研究現狀以及波浪旋轉運動特性，研發設計的一種以臥式輪機形式來同時吸收水平波浪螺旋力和潮流能動力的新型浪流發電裝置，分別利用正交實驗、Fluent分析，闡明了葉片參數對于輪機流場的作用趨勢，并基此擇出最佳模型，水槽實驗也有效驗證了該臥式浪流輪機浪流結合吸收的可行性。

1 臥式浪流葉片輪機結構概述

臥式浪流輪機作為浪流合力吸收的核心部分，其水動力性的好壞直接影響著整個發電裝置的效率，因此對其結構的設計分析就顯得尤為重要。浪流一體化發電裝置獲能輪機的結構如圖1所示，此臥式輪機采取漂浮式的獲能方式，葉輪部分可同時獲取波浪與潮流兩種能量。

圖1 臥式輪機及葉輪結構Fig.1 Structures of the horizontal turbine

圖2 臥式輪機單一葉片水動力及受力Fig.2 Hydrodynamic performance of one blade of the turbine in different position angles

2 臥式輪機葉片動力性分析

綜合波浪與潮流合力分析，浪流輪機在旋轉一周的過程中，翼型攻角會呈現正負交替變化，故使得葉片上的升力也從指向葉輪旋轉軸和背離旋轉軸方向來回變化，因而翼型的上下表面也會在高壓力面和低壓力面之間切換。另外，翼型的上下表面在作為高壓力面的幾率上均等，因此借鑒垂直軸風力機葉片翼型的時候多考慮采用具有對稱特性的翼型。基于簡便分析，特將輪機模型簡化，假定流經臥式輪機的浪流體速度模型為恒定不變，且忽略輪機旋轉過程中的誘導流體對輪機的影響。葉片均勻分布于輪機托盤上并具有周期性，可以從單一葉片分析輪機的水動力性能，該輪機單獨葉片葉形及受力如圖2所示。

在圖2中，根據葉片旋轉速度矢量三角形關系，在特定位置角θ下，葉片所受弦切向速度VC，弦法向速度Vn，水動力攻角α以及相對水流速度W的表達式：

其中：Cl為葉片升力系數,Cd為阻力系數。來流V對輪機葉片產生升力Fl和阻力Fd，其中升力垂直于水流相對輪機葉片速度方向，而阻力則平行于水流相對輪機葉片方向。將這兩力分解到沿葉片弦線和弦法線方向上則共同組成了輪機的推力Ft和法向力Fn，在此，輪機推力貢獻于輪機產生旋轉扭矩。

其中：Ct為推力系數,Ct=C1sinα-Cdcosα；Cn為法向力系數，Cn=C1cosα+Cdsinα；ρ為海水密度；S為橫截面積(S=CH),其中C為輪機葉片弦長，H為葉片展長。

輪機單一葉片參數都可轉變為關于位置角度θ的函數。則單一葉片運轉一周所受的平均推力Fta，N個葉片所受總扭矩Q以及輪機總的輸出功率P可表達如下：

3 輪機葉片正交試驗方案設計

臥式輪機功率系數的主要影響因素為葉片安裝半徑R、葉片數N、葉片弦長C和葉片展長b。因此，確定這四個葉片的參數作為正交試驗的因素。選擇輪機翼型NACA663-018，其葉片尖速比為2.3，來流最大流速為2.0 m/s。便于計算分析，對影響因素取4個水平，各因素之間忽略交互作用，因此L16(45)最為合適[11]，故葉片正交實驗因素水平如表1所示。借助Matlab計算功能，所設計葉輪正交試驗方案組合以及相應葉片指標如表2所示。

表1 輪機葉片正交試驗因素水平匯總表Tab.1 Summary of the turbine blade’s factor levels for the orthogonal test

從上述16個樣本中，分別根據推力最大值，扭矩最大值以及功率最大值進行極差分析，得出正交實驗因素分別對葉片推力、扭矩以及功率的影響效率，如圖3所示。

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圖3 因素指標主次分析簡圖Fig.3 Primary & secondary analysis diagram for factor and index

葉片展長和弦長是從理論上影響獲能系數的關鍵，因此從最大功率出發，其最優組合為b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=5。同理最大扭矩具有最優組合：b=1.4，C=0.14，R=0.62，N=5。最大推力具有最優組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=3。

表2 輪機正交試驗的方案組合以及指標結果Tab.2 Portfolio & the index results for the orthogonal experimental design

4 基于FLUENT葉片流場分析

輪機葉片是其捕獲能量的關鍵，其性能決定性地影響整個輪機裝置的性能。根據前述正交試驗設計的理論結果，對三大指標輪機模型的流場進行分析，為后期優化輪機的水槽實驗提供理論支持。

4.1邊界條件確定

輪機葉片采用的NACA663-018翼型是流線型結構，為了降低計算空間，可將浪流輪機簡化為二維斷面結構，在GAMBIT中建立流場計算域，如圖4所示。將計算流域分為旋轉區域和靜止區域，利用移動網格模擬輪機的旋轉，靜止區域采用結構四邊形網格劃分，旋轉區域采用非結構三角形網格劃分。設置進口邊界為速度入口，來流方向為X軸方向，并設置為2 m/s;出口邊界為壓力出口，設置1個大氣壓值；在模型靜止區域和旋轉區域交界處，設置為滑移邊界，并建立一個交界面，實現仿真過程中靜止區域和轉動區域之間的數據交流；計算域上下邊界外側的水環境，設置為對稱邊界。選用基于壓力的分離式求解器，并采用適合旋轉體仿真的兩方程湍流模型。

圖4 二維輪機流場計算域Fig.4 Fluid computing area for 2D turbine

4.2葉片輪機fluent仿真結果

1) 葉片扭矩分析

在上述模型仿真中，經尖速比公式得三模型輪機的工作轉數為135、70和135 r/min，借助FLUENT得三種模型監控的扭矩系數圖形，通過扭矩系數與扭矩之間的轉換公式，整理得到三種模型輪機葉片在旋轉周期內的扭矩變化規律，見圖5。

圖5 三模型輪機扭矩監控圖及分析圖表Fig.5 Torque analysis charts for 3 model turbines

基于分析圖的數據分析，在一個周期內，三模型的扭矩隨著輪機的旋轉都呈現周期性變化。對于具有5葉片的模型1和模型2，扭矩變化趨勢幾乎一致，一個周期內呈現5波峰，5波谷；而具有3葉片的模型3在一周期內波峰與波谷都是3個。從圖中還可看出，模型1和模型2比模型3有更大的扭矩，模型1和模型2的扭矩最值位置基本相同，扭矩最大差值也幾乎相同，但模型2比模型1的扭矩值普遍偏高，具有更好的扭矩效果。

2) 葉片推力分析

將葉片所受的推力分別分為X(1,0)，Y(0,1)兩個方向的分力進行分析，FLUENT得到的X與Y方向的分力如圖6所示。

圖6 FLUENT仿真下輪機模型葉片推力分解Fig.6 Thrust charts for the blade by FLUENT

從圖中可看出三模型輪機在X方向的力與所設置的來流方向的力相同，在一個轉動周期內呈現類正弦變化；而在Y方向的力與來流方向垂直，其值為負，這說明，水流對葉片在平面Y上的阻力是向下的；然而,對于同一模型輪機而言，其X方向上的阻力普遍大于Y方向上阻力，并相差3～4倍差距，這表明在水輪葉片轉動過程中所受的主要推力集中體現在X方向。

3) 葉片功率分析

設定模型工況速比在1～4范圍內變化，根據仿真數據繪制三模型功率和獲能特性系數的變化曲線圖，其變化規律如圖7所示。圖中出現σ=0.88/1.47/1.76表示的是不同密實度，對應輪機葉片數量為3/5/6[12]。從圖中可以看出，在不同速比工況下，三模型輪機獲能系數Cp和其產生功率P具有相同發展趨勢。對于模型1組合輪機而言，在TSR=2.5時，Cp取得最大值0.28。而對于模型2和模型3輪機而言，其最大Cp分別為0.18和0.22，且后兩者取最值的TSR點都較模型1前移，分別為2和2.4。這說明對于此種臥式輪機而言，葉片稀疏輪機更易達到輪機獲能最值，但這樣也使水流能因葉片之間較大間隙而耗散，最終降低輪機獲能性能；同樣，密實輪機因葉片之間更為強烈的湍流涌動，阻礙輪機的獲能表現。在此，模型1輪機樣機在獲能特性和發電功率上表現更優。

通過對輪機功率、扭矩和推力的仿真數據分析，得出模型1具有最大功率特性，且具有較大的扭矩，變化平緩，能夠滿足最大功率以及輪機生命周期，具有優秀的捕獲性能，因此選用模型1做水槽實驗。

5 水槽實驗

基于前述葉片輪機的模擬優化設計，采用鋁合金葉片、模型1輪機參數以及葉片安裝角度定位正向偏10°的心輪機作為本實驗模型。其安裝原理如圖8所示。浪流葉片輪機水槽實驗選擇在國家海洋局東海計量中心水池實驗室內進行，該實驗室具備造波和制流功能，可通過波高儀和流速儀，對流經輪機附近流速波浪進行工況測量,具體工況參數如表3所示。

圖8 浪流葉片輪機水槽實驗原理Fig.8 Tank experiments schematics of the wave-tide turbine

表3 浪流工況實驗方案Tab.3 Wave-tide working condition programs of the sink test

圖8中，基于JN 338轉矩轉速傳感器、JN 338轉矩轉速配套測量儀以及計算機構成了浪流耦合輪機轉矩、轉速和功率的測量線路。經5腳的航空插座與其配套JN 338轉矩轉速測量儀通信，實現實時可視化參數顯示。圖9為裝置水槽實驗安裝方式配套測量裝置。

圖9 浪輪發電裝置水槽實驗安裝方式Fig.9 Installation of wave turbine sinking experiment

基于實驗安裝測量方式，本系統具有轉矩方程表示為：M輪機=Μ測+Mf(5.1)。

對浪輪機浪流集成特性進行了實驗，對兩種波況和四種流況進行集成分析。提取整理數據可繪制圖10。在波高0.3 m,流速2 m/s下，浪輪機可獲得集成功率459 W，其對應轉速為140 r/min,轉矩42.5 N·m,獲能效率為21.2%,比同流況下輪機吸收功率增加23W,效率提高1個百分點；同樣在波況0.3 m/s,流速1.5 m/s下，輪機吸收集成功率181 W，獲能效率達17.8%，比同流況輪機效率增加13 W,總效率提高1個百分點。相對流況提高的功率遠遠大于在對應波況下輪機可吸收的功率。然而對于波高0.2 m下，浪輪機吸收功率曲線與波高0.3 m相差不大。此實驗證明，浪潮結合下，可大大提高輪機的吸收功率，增加了浪流集成吸收的可行性。

圖10 浪流結合浪輪機功率轉速曲線Fig.10 Curves of the power and torque of the turbine

6 結 語

基于現有波浪能和潮流能發電裝置研究現狀以及波浪旋轉運動特性，設計了一種臥式輪機形式同時吸收水平波浪螺旋力和潮流能動力的新型浪流發電裝置，并對裝置葉片部分進行基于正交分解的實驗分析。通過分析，主要得出以下結論：

1) 針對正交試驗設計，分析不同輪機參數對輪機推力、功率、扭矩的影響，得出最大功率模型的參數最優組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=5；最大扭矩模型參數最優組合：b=1.4，C=0.14，R=0.62，N=5；最大推力模型參數最優組合：b=1.4，C=0.14，R=0.32，N=3；

2) 針對三種模型，基于FLUENT 流場分析，得出最佳功率模型在輪機扭矩、推力以及輪機功率方面具有更好的綜合效果；

3) 最后，通過水槽實驗有效驗證了最大功率臥式浪流輪機，在浪流結合下，可大大提高輪機的吸收功率。

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Horizontal wave flow turbine blade optimization analysis based on the theory of orthogonal design

WANG Shiming,ZHAO Fei,TIAN Ka

(Engineering College，Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

P743.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.013

趙飛。E-mail：lgzhaofei@163.com

1005-9865(2016)05-0117-08

文章編號：1005-9865(2016)05-0109-08

2016-01-04

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項資助項目(SHME2013JS01)；上海市2014年優秀技術帶頭人計劃資助項目(14XD1424300)；上海市科技成果轉化促進會助推計劃資助項目(NY1301HY)；上海教委產學研資助項目(15cxy29)

王世明(1964-)，男，山西忻州人，博士生導師，教授，主要從事海洋可再生能源以及裝備智能控制技術研究。E-mail：smwang@shou.edu.cn.