轴流式水轮机叶片翼型参数化设计研究

发布时间：2017-09-10 22:20

  本文关键词：轴流式水轮机叶片翼型参数化设计研究

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【摘要】：我国水力资源可开发量大,但我国水能开发的利用率与欧美发达国家相比仍有较大差距。在国家政策的大力支持下,我国水电在近年来有了突飞猛进的发展。其中,轴流式水轮机占据很大的比例,而传统轴流式水轮机的设计方法在与现代水力设计理论及CFD计算优化相结合的过程中,仍然需要开发设计多个模型进行实验分析,必然耗费了大量的时间与金钱。而参数化设计方法能基于现有模型,更灵活地改变叶片的轮廓,并便于生成3D叶片,从而进行CFD分析,可大大节约时间和制造成本,所以,将参数化设计方法应用于转轮叶片翼型的几何造型与优化设计是非常必要的。本文提出了一种基于曲线参数化设计的轴流式水轮机2D翼型及3D叶片的建模方法,主要研究内容和创新点如下:1.系统地分析总结了现有叶片翼型的规律,初步提出了一种翼型参数化设计方法。对现有某轴流式水轮机叶片的翼型进行圆柱截面截取,得到了不同截面各个翼型的轮廓。根据翼型骨线特点,采用内切圆的方法,分析比较各截面翼型的不同参数,最终得到了参数化过程中可能需要的翼型特征变量,例如最大厚度和最大厚度所在位置等。根据常规翼型气动性能分布规律,将翼型分割成4段,用分段参数化的方法进行建模。分别应用多阶多项式对翼型的4段曲线进行拟合,得到各段的多项式阶数,综合Bezier函数拟合曲线的特点,确定参数化曲线控制点的个数和位置,再通过Matlab进行曲线的建模,最终确定了基于Bezier曲线的4段10点10参数的参数化设计翼型的方法。最后将该方法分别应用于典型对称翼型NACA 0015以及某轴流式水轮机叶片翼型GOE 430。结果表明:当该方法用于典型的对称翼型NACA 0015,相似度达到87.2%,相对误差较小;但是,当该方法应用于某轴流式水轮机叶片的非对称翼型GOE 430时,存在较大偏差,与原始翼型相似度仅为69.9%,并且这些偏差对翼型的总体性能影响较大。2.针对初步参数化设计方法的不足,提出了一种优化的翼型参数化设计方法。为了提高参数化设计方法的拟合精度,在初始参数化设计方法的基础上,在翼型尾部上下方各增加一个控制点,以提高拟合精度。并且将优化后的方法应用于先前存在较大偏差的翼型GOE 430,再应用于典型对称翼型NACA 0015。当将该方法应用于翼型GOE 430时,参数化后的翼型与原始翼型在外形几何上较为接近,相似度提高很多,达到85%以上,气动性能也得到改善。并且对优化后的参数化设计翼型进行了CFD计算和流场分析,分析了翼型上下表面的压力系数,计算对比了不同攻角下参数化设计翼型与原始翼型的升阻力系数,在零攻角情况下,参数化设计翼型性能优于原始翼型,而在-5°和5°下,参数化设计翼型与原始翼型的性能相差不大。将优化的参数化设计翼型设计方法应用于典型对称翼型NACA 0015,优化设计的参数化设计翼型在外形上与原始翼型更为相近,并且与初步参数化设计方法设计的翼型相比,外形上更加相似,达到89.6%,同时,在气动性能方面,模拟升阻力系数与原型更为接近。3.基于优化的翼型参数化设计方法,提出了一种3D叶片参数化设计方法。以翼型参数化为基础,对叶片的翼型安放角和不同截面的翼型最大厚度与最大隆起进行参数化分析,最终得到轴流式水轮机叶片的参数化建模方法。本文以某轴流式水轮机为例,对其进行参数化造型分析,首先分别以不同截面作为标准翼型,建立不同的叶片模型,再通过CFD计算确定了以半径为0.165m标准翼型的叶片与实际结果最为接近,然后分析该叶片的流场以及压力场,最终认为该参数化设计方法能较好地应用于轴流式水轮机叶片的三维设计中。
【关键词】：轴流式水轮机 参数化 Bezier曲线 叶片翼型 相似度
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 引言11-14
• 1.1.1 我国水电的发展现状11-12
• 1.1.2 轴流式水轮机12-13
• 1.1.3 传统的轴流式水轮机叶片设计方法13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 关于曲线参数化的设计方法14-15
• 1.2.2 参数化设计方法应用于翼型设计15-16
• 1.2.3 参数化设计方法应用于叶片设计16
• 1.2.4 参数化应用的具体方法16-18
• 1.3 本文主要研究内容18-20
• 第二章 轴流式水轮机 2D翼型参数化初步设计20-39
• 2.1 对某轴流式水轮机叶片翼型截取分析20-23
• 2.2 基于Bezier曲线的翼型参数化设计方法23-27
• 2.2.1 Bezier曲线23-24
• 2.2.2 参数化设计方法24-27
• 2.3 参数化设计方法的验证与应用27-38
• 2.3.1 典型对称翼型NACA 001528-32
• 2.3.2 某轴流式水轮机叶片翼型GOE 43032-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 轴流式水轮机 2D翼型参数化优化设计39-51
• 3.1 优化设计方法39-40
• 3.2 优化后参数化设计方法的验证与应用40-49
• 3.2.1 某轴流式水轮机叶片翼型GOE 43040-46
• 3.2.2 典型对称翼型NACA 001546-49
• 3.3 本章小结49-51
• 第四章 轴流式水轮机 3D叶片的参数化设计51-61
• 4.1 翼型安放角的参数化分析51-52
• 4.2 不同截面最大厚度和隆起分布规律52-53
• 4.3 参数化叶片造型53-56
• 4.3.1 各截面翼型的造型53-55
• 4.3.2 各叶片的造型55-56
• 4.4 CFD计算56-60
• 4.4.1 网格划分56
• 4.4.2 湍流模型的选择56
• 4.4.3 边界条件和收敛性设置56-58
• 4.4.4 网格无关性检查58
• 4.4.5 模拟结果分析58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 总结与展望61-64
• 5.1 研究总结61-62
• 5.2 研究展望62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文69-70
• 发表的学术论文69
• 参加的科研工作69
• 实习经历69-70
• 附录 翼型参数化设计Matlab程序(以NACA 0015翼型初步参数化设计为例)70-73

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本文编号：826971