水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1绪论 1.1研究背景 随着国民经济的迅速增长，能源己成为人类社会的必需品，是现代生活生产 的动力。然而，越来越高的能源需求量与其不能满足需求的矛盾日益增加，这就 使得寻求一种新能源迫在眉睫。如图1-1所示为能源的消耗趋势。面对如此严峻 的问题，世界各国在积极寻求新能源的同时，都已把能源的可持续发展作为一项 重要任务山。 皇1801 其他可再生能源 ■生物质能 14000 ■水能 12000 题核能 10000 圆天然气 8000 ■油 6000 ☐煤炭 4000 …wE0-2009总量： 2000 参考情景 0 1980 1990 20002010 202020302035年 图1」能源消耗趋势 广袤的海洋中含有丰富的能源，数据表明，在南北纬20°之间的海水中，只 要利用其中的一半的能源进行发电就能取得600亿千瓦的电能，这相当于全世界 目前所产生所有电能之和2。 潮流能相对于波浪能容易被预测，稳定性好、规律性强)。潮流流过水轮机 叶片，冲击力推动叶轮转动，使海水的动能转化为水轮机叶轮的机械能4。叶轮 带动主轴旋转，经发电装置将机械能转化为电能，实现潮流能的利用)，如图1-2 所示。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1绪论 1．1研究背景 随着国民经济的迅速增长，能源己成为人类社会的必需品，是现代生活生产 的动力。然而，越来越高的能源需求量与其不能满足需求的矛盾日益增加，这就 使得寻求一种新能源迫在眉睫。如图1．1所示为能源的消耗趋势。面对如此严峻 的问题，世界各国在积极寻求新能源的同时，都己把能源的可持续发展作为一项 重要任务‘11。 o ≤1 1 1 l 其翘r可再生艇濑 嬲生物质隧 萋《嚣水能 拔缝 黪辫天然二气 ●一{i油 _煤嶷 …’IVEO一2009总赞 参考‘陵蔽 图1—1能源消耗趋势 广袤的海洋中含有丰富的能源，数据表明，在南北纬200之间的海水中，只 要利用其中的一半的能源进行发电就能取得600亿千瓦的电能，这相当于全世界 目前所产生所有电能之和【21。 潮流能相对于波浪能容易被预测，稳定性好、规律性强【31。潮流流过水轮机 叶片，冲击力推动叶轮转动，使海水的动能转化为水轮机叶轮的机械能‘41。叶轮 带动主轴旋转，经发电装置将机械能转化为电能，实现潮流能的利用[51，如图1-2 所示。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 潮流 扭传感器 速器 发电机 密封 PC 监测诸存 总线 图1-2水轮机发电过程图解 水平轴潮流能发电装置具有较好的水下适应性，因而得到广泛的应用。其 发电装置结构简单，运行原理明确，并且和水平轴风力发电机具有非常相似的原 理门。目前，国内外许多学者仍在对水平轴潮流能水轮机进行着大量的探索研究， 以求寻得水动力性能更高的水轮机叶片，因而在参照仿生风力机叶片的基础上， 仿生水轮机叶片应运而生。 鱼类，最适合水下运动的生物，经过数亿年的自然衍化，其身体结构特点和 运动方式能够很好的适应水中生活，具有较高的水动力性能8，。研究表明，鱼 鳍的配合游动对于其优异的水动力性能有着至关重要的作用，因此鱼类仿生研究 引起了众多研究人员的兴趣，并且在仿鱼类水下推进技术领域取得了较好的应用， 这就为水平轴潮流能水轮机仿生叶片的设计带来了新的启示0。 本文拟将鲨鱼鳍翼型的优异性能应用到水平轴潮流能水轮机叶片的设计中， 并尝试探索仿生叶片设计方法以及水动力性能的分析方法。论文不仅是对当前仿 形鲨鱼鳍叶片设计的延续，也为水轮机叶片的设计提供新思路。 1.2水平轴潮流能水轮机及叶片设计现状 1.2.1潮流能水轮机的发展现状 近年来，潮流能水轮机发电装置在世界各地迅速发展起来并且均取得了一定 的成果。许多研究机构通过三维成型、数值模拟、模型实验的方法有效的揭示了 水轮机在真实海况下的工作机理，并对系统的性能进行了探索。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 朝流 PC 监测储存 总线 图1-2水轮机发电过程图解 水平轴潮流能发电装置具有较好的水下适应性，因而得到广泛的应用【6J。其 发电装置结构简单，运行原理明确，并且和水平轴风力发电机具有非常相似的原 理【_71。目前，国内外许多学者仍在对水平轴潮流能水轮机进行着大量的探索研究， 以求寻得水动力性能更高的水轮机叶片，因而在参照仿生风力机叶片的基础上， 仿生水轮机叶片应运而生。 鱼类，最适合水下运动的生物，经过数亿年的自然衍化，其身体结构特点和 运动方式能够很好的适应水中生活，具有较高的水动力性能[8,9t。研究表明，鱼 鳍的配合游动对于其优异的水动力性能有着至关重要的作用，因此鱼类仿生研究 引起了众多研究人员的兴趣，并且在仿鱼类水下推进技术领域取得了较好的应用， 这就为水平轴潮流能水轮机仿生叶片的设计带来了新的启示【l…。 本文拟将鲨鱼鳍翼型的优异性能应用到水平轴潮流能水轮机叶片的设计中， 并尝试探索仿生叶片设计方法以及水动力性能的分析方法。论文不仅是对当前仿 形鲨鱼鳍叶片设计的延续，也为水轮机叶片的设计提供新思路。 1．2水平轴潮流能水轮机及叶片设计现状 1．2．1潮流能水轮机的发展现状 近年来，潮流能水轮机发电装置在世界各地迅速发展起来并且均取得了一定 的成果。许多研究机构通过三维成型、数值模拟、模型实验的方法有效的揭示了 水轮机在真实海况下的工作机理，并对系统的性能进行了探索。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 在水轮机设计方面，2003年英国MCT公司研制出最大功率为300KW的潮 流能水平轴水轮机SEAGEN,叶轮直径11米。如图1-3所示，整体结构采用中 间立柱支撑方式，叶轮轮毂以及发电部分可以升降，以便更好的进行设备维护。 2006年，该公司又进行了5-8KW水轮机阵列式布置研究，如图1-4所示。 图1-3MCT公司SENGEN水轮机 图14水轮机阵列式布置 2003年，挪威某公司研制了水平轴潮流能水轮机Blue Concent,整个叶片采 用加强玻璃纤维制成，直径20米，功率300KW。水轮机采用重力式安装于水下 50米，年发电量可达700MKWh。 图l-5 Blue Concent水轮机 我国对潮流能水轮机的研制始于上世纪七十年代，最早采用螺旋桨式。1984 年哈尔滨工程大学研制了60W水轮机：1989年对1KW水轮机进行了实验：2002 年建成了世界第一个漂浮式发电站：2003年，研制了40KW垂直轴潮流能发电 装置，并于第二年安装试验2.2004年，浙江大学研制了“水下风车”水轮机， 叶片直径为2.6米，利用重力进行安装并于2006年进行了5kW样机下水试验， 效果良好3)。2006年，中国海洋大学研制了柔性叶片水轮机，并进行了模型试 验以及下海试验，结果都比较理想。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 在水轮机设计方面，2003年英国MCT公司研制出最大功率为300KW的潮 流能水平轴水轮机SEAGEN，叶轮直径1 l米。如图l一3所示，整体结构采用中 间立柱支撑方式，叶轮轮毂以及发电部分可以升降，以便更好的进行设备维护。 2006年，该公司又进行了5-8KW水轮机阵列式布置研列11】，如图1．4所示。 图1．3 MCT公司SENGEN水轮机 图1．4水轮机阵列式布置 2003年，挪威某公司研制了水平轴潮流能水轮机Blue Concent，整个叶片采 用加强玻璃纤维制成，直径20米，功率300KW。水轮机采用重力式安装于水下 50米，年发电量可达700MKWh。 图1-5 Blue Concent水轮机 我国对潮流能水轮机的研制始于上世纪七十年代，最早采用螺旋桨式。1984 年哈尔滨工程大学研制了60W水轮机；1989年对1KW水轮机进行了实验；2002 年建成了世界第一个漂浮式发电站；2003年，研制了40KW垂直轴潮流能发电 装置，并于第二年安装试验【121。2004年，浙江大学研制了“水下风车”水轮机， 叶片直径为2．6米，利用重力进行安装并于2006年进行了5kW样机下水试验， 效果良好【13 J。2006年，中国海洋大学研制了柔性叶片水轮机，并进行了模型试 验以及下海试验，结果都比较理想。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生瓷鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1.2.2水轮机叶片设计现状 叶片是水轮机获能的关键部件，由无数叶素叠加而成，而同一类叶素为一种 翼型，因此可以说翼型为叶片的核心，水轮机获能的高低取决于翼型。全世界范 围来讲，水轮机发电出现的较晚，尤其是水平轴水轮机，还没有一套设计方法完 全适用于潮流能水轮机叶片的设计，但其形式与风力机相似，大部分采用风力机 的设计方法4。 十九世纪六十年代，英国人首先将动量理论应用于飞机螺旋桨叶片的设计中， 从此奠定了叶片设计的基础l):同世纪八十年代，Richard Froude提出了叶素理 论，随后Glauert利用叶素-动量理论分析了螺旋桨和风车流场6,17)。经过不断地 探索，Wilson对Glauert理论进行了改进，引入了叶尖叶根损失，使得叶片设计 参数更加准确18,19。 除了上述之外，Andreas Ruopp等人利用开源软件Opean FOAM进行了叶片 的优化设计，并用计算流体力学的方法研究了水轮机的性能2o,21;Mal Wadia等 人研究了水轮机和风力发电机叶片之间存在的差异22，南安普顿大学Bahaj等人 设计了直径为0.8m的叶片，综合性的研究了叶片的设计及其水动力性能，并通 过大量的实验进行了验证23,241。 国内对翼型的研究中，张礼达等人运用风车设计理论研制了风力机叶片2)： 浙江大学的李伟等人利用风力机设计方法研制了5KW水平轴海流能螺旋桨式发 电装置，并通过实验得到了在不同工况下的水动力性能。 1.3仿生技术在叶片设计中的发展及应用 鱼类经过长期的进化己经完全适应水下环境，从仿形技术到仿生技术，国内 外研究人员逐渐揭示了鱼类游动的机理，对仿生鱼类水下推进技术和水下机器人 的研究均取得了突破，同时仿生技术在风力发电机叶片设计中的应用上也取得了 一定的成果。 4 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1．2．2水轮机叶片设计现状 叶片是水轮机获能的关键部件，由无数叶素叠加而成，而同一类叶素为一种 翼型，因此可以说翼型为叶片的核心，水轮机获能的高低取决于翼型。全世界范 围来讲，水轮机发电出现的较晚，尤其是水平轴水轮机，还没有一套设计方法完 全适用于潮流能水轮机叶片的设计，但其形式与风力机相似，大部分采用风力机 的设计方法【14】。 十九世纪六十年代，英国人首先将动量理论应用于飞机螺旋桨叶片的设计中， 从此奠定了叶片设计的基础‘"】；同世纪八十年代，Richard Froude提出了叶素理 论，随后Glauert利用叶素．动量理论分析了螺旋桨和风车流场[16,17]。经过不断地 探索，Wilson对Glauert理论进行了改进，引入了叶尖叶根损失，使得叶片设计 参数更加准确[18,191。 除了上述之外，Andreas Ruopp等人利用开源软件Opean FOAM进行了叶片 的优化设计，并用计算流体力学的方法研究了水轮机的性能t20,2,】；Mal Wadia等 人研究了水轮机和风力发电机叶片之间存在的差异‘22】；南安普顿大学Bahaj等人 设计了直径为0．8m的叶片，综合性的研究了叶片的设计及其水动力性能，并通 过大量的实验进行了验证[23，241。 国内对翼型的研究中，张礼达等人运用风车设计理论研制了风力机叶片‘25】； 浙江大学的李伟等人利用风力机设计方法研制了5KW水平轴海流能螺旋桨式发 电装置，并通过实验得到了在不同工况下的水动力性能‘261。 1．3仿生技术在叶片设计中的发展及应用 鱼类经过长期的进化已经完全适应水下环境，从仿形技术到仿生技术，国内 外研究人员逐渐揭示了鱼类游动的机理，对仿生鱼类水下推进技术和水下机器人 的研究均取得了突破，同时仿生技术在风力发电机叶片设计中的应用上也取得了 一定的成果。 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1.3.1仿生技术在风力机叶片中的应用 近年来，国内外学者针对当前传统叶片设计方法上的难点，结合仿生技术开 始从叶片构型等方面对叶片设计方法进行研究。日本秋天县立大学对马蝇翅膀进 行了详细的研究，借助逆向工程技术重新构建了马蝇翅膀模型，设计制造了微型 仿生发电机2)，如图1-6所示。 Insect wing Magnetic fluid Acrylonttnte butadiene stytene resin shaft 图1-6仿马蝇翅膀微型发电机 2006年，在BM公司的大力资助下，研究人员根据蜻蜓翅膀良好的可仿生 特性研制了仿蜻蜓翅膀机翼，并证明这种机翼空气动力特性好，能显著提高飞机 的飞行能力。 图1-7蜻蜓及仿蜻蜓机翼 在仿生机翼研究方面，美国NASA研究中心将具有相同机翼面积和展弦比的 五种模型安装在同一机身上进行实验对比，结果证明了仿生鲨鱼机翼具有良好的 气动性能28,29列。 同样，国内研究人员也在积极探寻仿生技术在风力、水力发电中的应用。吉 林大学在2012年开始研究鸟类翅膀的气动性能，通过三维扫描获得长耳鹗翅膀 翅膀的点云，之后运用逆向工程软件对其处理，三维软件截取长耳鹗翅膀不同位 万方数据
水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 1．3．1仿生技术在风力机叶片中的应用 近年来，国内外学者针对当前传统叶片设计方法上的难点，结合仿生技术开 始从叶片构型等方面对叶片设计方法进行研究。日本秋天县立大学对马蝇翅膀进 行了详细的研究，借助逆向工程技术重新构建了马蝇翅膀模型，设计制造了微型 仿生发电机[271，如图1-6所示。 ％ ， ln蹦娃罐遮g i6 、 C籼I 、：： 。 ? 。。 t， ? ^t r、；tm‘El：e和：拄、’tj oi饕、i、fr’|t ln；n、m}H 图1．6仿马蝇翅膀微型发电机 2006年，在IBM公司的大力资助下，研究人员根据蜻蜒翅膀良好的可仿生 特性研制了仿蜻蜒翅膀机翼，并证明这种机翼空气动力特性好，能显著提高飞机 的飞行能力。 图l一7蜻蜒及仿蜻蜒机翼 在仿生机翼研究方面，美国NASA研究中心将具有相同机翼面积和展弦比的 五种模型安装在同一机身上进行实验对比，结果证明了仿生鲨鱼机翼具有良好的 气动性能【28，291。 同样，国内研究人员也在积极探寻仿生技术在风力、水力发电中的应用。吉 林大学在2012年开始研究鸟类翅膀的气动性能，通过三维扫描获得长耳鹗翅膀 翅膀的点云，之后运用逆向工程软件对其处理，三维软件截取长耳鹗翅膀不同位 万方数据