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 摘要 近年来，潮流能的开发越来越受人类重视，水轮机作为获取潮流能的常用装 置，它能将潮流能转化为叶片旋转的机械能进而通过发电装置产生电能。叶片作 为水轮机获能的关键部件，其性能直接决定水轮机的获能效率，翼型又是构成叶 片的基本元素，因此翼型的选取在获能研究中十分重要。本文从仿生学出发，在 水轮机叶片仿形技术的基础上，拟将鲨鱼鳍翼型的优异水动力性能应用到仿生翼 型叶片和组合翼型叶片的设计上，以期改进水轮机的性能。 论文以鲨鱼鳍为翼型获取对象，利用逆向工程技术将三维扫描点云进行处理， 得到鲨鱼胸鳍和尾鳍的构型曲面，然后应用Solid Works三维建模软件按一定比 例截取鱼鳍不同位置的翼型。再经过Profili软件选择高升阻比或高扭矩系数的翼 型，得到最优仿生翼型和组合叶片翼型。然后结合叶素动量理论、Wilson叶片设 计理论以及基于Matlab的叶片参数优化和坐标变换等过程，生成仿生叶片和组 合翼型叶片，进而建立起仿生鲨鱼鳍水轮机模型。 数值模拟是从仿真的角度分析水轮机的性能。论文采用CFD方法，其过程 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：求解计算和后处理部分采用专业流体分析软件 Fluent进行处理。然后在变桨距情况下下对仿生叶片、组合翼型叶片和常规翼型 叶片进行水动力性能的对比分析并得到如下结论：在额定转速、额定流速下，仿 生叶片和组合叶片分别在桨距角为70°和60时，叶轮对转轴的扭矩达到最大值， 且均大于常规翼型叶片，比较前两者又可确定仿生叶片性能最佳。同时还分析了 不同叶片的压力场和速度场云图，并得到了相应结论。 在数值模拟的基础上，论文设计了无线遥控舵机控制的变桨系统，设计包括： 变桨距力矩及传动方式的研究、系统原理图设计、三维造型等过程。然后进行了 仿生叶片和组合叶片模型的加工、变桨系统的制造与装配以及实验设备、实验方 案的制定等，最终将通过下水实验的方式对几种叶片构成的水轮机进行水动力性 能的测试，并达到预期的实验效果：实验结果与数值模拟结果相差不大，趋势变 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 摘要 近年来，潮流能的开发越来越受人类重视，水轮机作为获取潮流能的常用装 置，它能将潮流能转化为叶片旋转的机械能进而通过发电装置产生电能。叶片作 为水轮机获能的关键部件，其性能直接决定水轮机的获能效率，翼型又是构成叶 片的基本元素，因此翼型的选取在获能研究中十分重要。本文从仿生学出发，在 水轮机叶片仿形技术的基础上，拟将鲨鱼鳍翼型的优异水动力性能应用到仿生翼 型叶片和组合翼型叶片的设计上，以期改进水轮机的性能。 论文以鲨鱼鳍为翼型获取对象，利用逆向工程技术将三维扫描点云进行处理， 得到鲨鱼胸鳍和尾鳍的构型曲面，然后应用SolidWorks三维建模软件按一定比 例截取鱼鳍不同位置的翼型。再经过Profili软件选择高升阻比或高扭矩系数的翼 型，得到最优仿生翼型和组合叶片翼型。然后结合叶素动量理论、Wilson叶片设 计理论以及基于Matlab的叶片参数优化和坐标变换等过程，生成仿生叶片和组 合翼型叶片，进而建立起仿生鲨鱼鳍水轮机模型。 数值模拟是从仿真的角度分析水轮机的性能。论文采用CFD方法，其过程 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；求解计算和后处理部分采用专业流体分析软件 Fluent进行处理。然后在变桨距情况下下对仿生叶片、组合翼型叶片和常规翼型 叶片进行水动力性能的对比分析并得到如下结论：在额定转速、额定流速下，仿 生叶片和组合叶片分别在桨距角为700和600时，叶轮对转轴的扭矩达到最大值， 且均大于常规翼型叶片，比较前两者又可确定仿生叶片性能最佳。同时还分析了 不同叶片的压力场和速度场云图，并得到了相应结论。 在数值模拟的基础上，论文设计了无线遥控舵机控制的变桨系统，设计包括： 变桨距力矩及传动方式的研究、系统原理图设计、三维造型等过程。然后进行了 仿生叶片和组合叶片模型的加工、变桨系统的制造与装配以及实验设备、实验方 案的制定等，最终将通过下水实验的方式对几种叶片构成的水轮机进行水动力性 能的测试，并达到预期的实验效果：实验结果与数值模拟结果相差不大，趋势变 万方数据