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 置的翼型（如图1-8所示）。将翼型按照有限元方法进行气动性能的分析，并于 常规NACA翼型对比，确定了降噪功能和空气动力性能更好的仿生翼型0。叶 片的生成是通过快速成型技术实现的，之后该实验室通过风洞试验证明了仿生技 术具有可靠的应用性。 40 30% 20% 0.40.60.81.0 弦长 0 0.2 图1-8长耳鹨翅膀的扫描点云及截取的不同翼型 西安交通大学同样采用了逆向技术方法采集了苍鹰尾缘的降噪生物因子，并 利用此因子设计了仿尾缘锯齿叶片。结论证明，与常规叶片相比，仿生叶片的生 物结构可以有效的降低噪声3川。 1.3.2水轮机仿形技术 经研究表明，将鸟类等生物的自然特性应用到水平轴风力机叶片的设计中， 能显著提高发电机的效率。那将其应用到水轮机叶片上，是否也能得到较好的效 果？ 在此启发下，中国海洋大学运用仿形法，通过三维扫描仪获取鲨鱼胸鳍及尾 鳍的点云，处理成三维软件可以操作的实体图形，将鱼鳍的形状直接应用于模型 中，如图1-9所示。最后用鲨鱼鳍原型制成的水轮机叶片在水槽实验中取得了良 好的效果。本论文在仿形鲨鱼鳍叶片设计的基础上重新获取水动力性能更加优异 的仿生翼型，研制获能效率更高的水平轴潮流能水轮机。 6 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 置的翼型(如图1．8所示)。将翼型按照有限元方法进行气动性能的分析，并于 常规NACA翼型对比，确定了降噪功能和空气动力性能更好的仿生翼型【301。叶 片的生成是通过快速成型技术实现的，之后该实验室通过风洞试验证明了仿生技 术具有可靠的应用性。 鲁[二=：==≮氐 ≮≥二乏—一～ k二二二=二二二二===≥～ ”———”———…———…———…———’ 弦长 0 n 2 0 4 0 6 n R 1 n 图1-8长耳鹗翅膀的扫描点云及截取的不同翼型 西安交通大学同样采用了逆向技术方法采集了苍鹰尾缘的降噪生物因子，并 利用此因子设计了仿尾缘锯齿叶片。结论证明，与常规叶片相比，仿生叶片的生 物结构可以有效的降低噪声【31]。 1．3．2水轮机仿形技术 经研究表明，将鸟类等生物的自然特性应用到水平轴风力机叶片的设计中， 能显著提高发电机的效率。那将其应用到水轮机叶片上，是否也能得到较好的效 果? 在此启发下，中国海洋大学运用仿形法，通过三维扫描仪获取鲨鱼胸鳍及尾 鳍的点云，处理成三维软件可以操作的实体图形，将鱼鳍的形状直接应用于模型 中，如图1-9所示。最后用鲨鱼鳍原型制成的水轮机叶片在水槽实验中取得了良 好的效果。本论文在仿形鲨鱼鳍叶片设计的基础上重新获取水动力性能更加优异 的仿生翼型，研制获能效率更高的水平轴潮流能水轮机。 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 图1-9仿形鲨鱼鳍水轮机模型 1.4研究目的及内容 1.4.1课题来源 本课题来源于上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金项目（课题编 号1301)。 1.4.2课题研究目的 首先，论文针对潮流能水轮机叶片设计存在的亟待解决的问题，通过仿生的 方法提取鲨鱼鳍翼型，并根据当前水轮机叶片和仿生鱼类的研究成果，对鲨鱼鳍 翼型进行了叶素理论分析，从而构建出仿生叶片水轮机和组合叶片水轮机。总之， 本课题拟将鲨鱼鳍翼型的优异水动力性能通过仿生技术应用到水轮机叶片的设 计上，以便较好的改变其获能效率。 1.4.3课题研究内容 (1)叶片设计理论。叶素动量理论、涡流理论以及Wilson理论是叶片设计 的基础理论，三个理论分别对翼型的构型参数、影响获能的因子及叶片成型进行 了阐述。 (2)叶片设计过程。大致包括：翼型的获取、最优翼型的选用、叶素参数 的优化、叶片的成型。 前两个部分是通过三维扫描仪获取的鱼鳍点云经逆向工程软件处理，将处理 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 1．4研究目的及内容 1．4．1课题来源 图1-9仿形鲨鱼鳍水轮机模型 本课题来源于上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金项目(课题编 号1301)。 1．4．2课题研究目的 首先，论文针对潮流能水轮机叶片设计存在的亟待解决的问题，通过仿生的 方法提取鲨鱼鳍翼型，并根据当前水轮机叶片和仿生鱼类的研究成果，对鲨鱼鳍 翼型进行了叶素理论分析，从而构建出仿生叶片水轮机和组合叶片水轮机。总之， 本课题拟将鲨鱼鳍翼型的优异水动力性能通过仿生技术应用到水轮机叶片的设 计上，以便较好的改变其获能效率。 1．4．3课题研究内容 (1)叶片设计理论。叶素动量理论、涡流理论以及Wilson理论是叶片设计 的基础理论，三个理论分别对翼型的构型参数、影响获能的因子及叶片成型进行 了阐述。 (2)叶片设计过程。大致包括：翼型的获取、最优翼型的选用、叶素参数 的优化、叶片的成型。 前两个部分是通过三维扫描仪获取的鱼鳍点云经逆向工程软件处理，将处理 7 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 后的结果导入Solid Works三维建模软件，按一比例截取不同位置的翼型，然后 将其导入翼型分析软件，对其升阻力特性进行分析，最终选出性能较优的仿生翼 型和组合翼型。 后两部分则根据叶素动量理论、Wson理论，得出获能系数的微分表达式， 应用Matlab优化工具箱计算所需要的优化参数。然后综合应用Solid Works三维 软件进行建模，并结合实验室已有的水轮机叶片作为对比叶片，构建出水轮机整 体模型。 (3)数值模拟。包括网格划分、求解计算、后处理等，其中网格划分采用 Gambit软件，并按要求进行流体域旋转域的设置：求解部分则采用专业流体软 件Fluent进行处理，后处理采用Fluent自带命令进行数据的分析。由于课题研究 的是在不同桨距角下对不同叶片进行动力学仿真模拟，所以要分组进行，最后通 过对比获得最优翼型的叶片。 (4)模型成型与实验方案设计。通过三维软件对叶片轮毂等造型并3D打印： 根据获能效率与叶片桨距角的关系，设计制造了无线变桨系统：对水轮机下水实 验方案进行设计。 1.4.4研究路线 针对上述研究目标及内容，本课题采用以下研究方案： (1)鱼鳍翼型获取 利用逆向工程软件对鱼鳍点云进行处理，将处理的后的数据导入三维建模软 件，按一定百分比截取不同位置的翼型，然后将其导入到翼型分析软件选出性能 较优的翼型 (2)叶素参数优化 根据叶素动量理论、涡流理论以及Wilson理论，通过公式变形求解出获能系 数的微分表达式，应用Matlab优化工具箱对获能系数在非线性约束下进行最大 化求解，从而获得优化参数。 (3)水轮机建模 综合应用Solid Works三维建模软件中的插入曲线、凸台放样、零件装配等命 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 后的结果导入SolidWorks三维建模软件，按一比例截取不同位置的翼型，然后 将其导入翼型分析软件，对其升阻力特性进行分析，最终选出性能较优的仿生翼 型和组合翼型。 后两部分则根据叶素动量理论、Wilson理论，得出获能系数的微分表达式， 应用Matlab优化工具箱计算所需要的优化参数。然后综合应用SolidWorks三维 软件进行建模，并结合实验室已有的水轮机叶片作为对比叶片，构建出水轮机整 体模型。 (3)数值模拟。包括网格划分、求解计算、后处理等，其中网格划分采用 Gambit软件，并按要求进行流体域旋转域的设置；求解部分则采用专业流体软 件Fluent进行处理，后处理采用Fluent自带命令进行数据的分析。由于课题研究 的是在不同桨距角下对不同叶片进行动力学仿真模拟，所以要分组进行，最后通 过对比获得最优翼型的叶片。 (4)模型成型与实验方案设计。通过三维软件对叶片轮毂等造型并3D打印； 根据获能效率与叶片桨距角的关系，设计制造了无线变桨系统；对水轮机下水实 验方案进行设计。 1．4．4研究路线 针对上述研究目标及内容，本课题采用以下研究方案： (1)鱼鳍翼型获取 利用逆向工程软件对鱼鳍点云进行处理，将处理的后的数据导入三维建模软 件，按一定百分比截取不同位置的翼型，然后将其导入到翼型分析软件选出性能 较优的翼型 (2)叶素参数优化 根据叶素动量理论、涡流理论以及Wilson理论，通过公式变形求解出获能系 数的微分表达式，应用Matlab优化工具箱对获能系数在非线性约束下进行最大 化求解，从而获得优化参数。 (3)水轮机建模 综合应用SolidWorks三维建模软件中的插入曲线、凸台放样、零件装配等命 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 令，结合实验室已有的水轮机叶片作为对比叶片，构建出仿生叶片以及水轮机模 型的装配体。 (4)水轮机水动力性能数值模拟 通过Gambit进行网格划分，Fluent进行求解，对仿生叶片、组合叶片以及实 验室已有叶片进行效率对比分析。 (5)无线变桨系统设计 研究表明，一定来流速度下，桨距角的变化会直接影响水轮机获能效率的高 低，因此为了探究桨距角与获能效率的关系，将叶片桨距角设计为可变的机构。 机构采用锥齿轮传动的方式，由无线蓝牙控制的舵机驱动。 (6)设备加工及模型实验方案设计 利用3D打印技术对叶片进行加工，并对叶片表面进行打磨，使其光滑。实 验方案利用水流速计、扭矩传感器、电子负载等设备进行测量，然后根据所获数 据对比分析功率与其他因素的关系。 图1-10为课题的具体研究路线图。 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 令，结合实验室已有的水轮机叶片作为对比叶片，构建出仿生叶片以及水轮机模 型的装配体。 (4)水轮机水动力性能数值模拟 通过Gambit进行网格划分，Fluent进行求解，对仿生叶片、组合叶片以及实 验室已有叶片进行效率对比分析。 (5)无线变桨系统设计 研究表明，一定来流速度下，桨距角的变化会直接影响水轮机获能效率的高 低，因此为了探究桨距角与获能效率的关系，将叶片桨距角设计为可变的机构。 机构采用锥齿轮传动的方式，由无线蓝牙控制的舵机驱动。 (6)设备加工及模型实验方案设计 利用3D打印技术对叶片进行加工，并对叶片表面进行打磨，使其光滑。实 验方案利用水流速计、扭矩传感器、电子负载等设备进行测量，然后根据所获数 据对比分析功率与其他因素的关系。 图1．10为课题的具体研究路线图。 万方数据
水平抽潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究 鲨鱼胸鳍、尾鳍扫描点云 Geomagic 若干三角面组成的曲面 SolidWorks 截取胸鳍、尾鳍不同部位翼型 Profili 分析翼型参数 否 性能最优 是 仿生翼型 常规翼型 仿生翼型叶片 组合翼型叶片 Matlab 叶片优化与坐标转换 SolidWorks 三维立体模型构建 Fluent 数值模拟 变浆系统设计与加工 叶片3D打印 实验方案设计 图1-10课题研究路线 o 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 图1．10课题研究路线 10 zkq 20160323 万方数据