海流能在世界上分布广泛，不但蕴藏着巨大的能量且具有清洁、可持续发展的优点。充分开发其潜能已成为各国积极研究的项目。海流机作为海流能的捕获装置之一，其性能研究已成为海流能有效开发利用的关键。而影响海流能发电装置性能的关键参数之一就是叶片的形状。现已有诸多关于海流能发电装置的叶片力学性能的研究^{[1, 2, 3, 4]}，主要针对“风车”式、“空心”式、“导流罩”式、“直叶片”式、“螺旋”式、“savonius”式、“柔性叶片”式进行研究。

本文基于上海海洋大学研制的叶片式海流能发电装置^[5]研究工作的基础上，采用FLUENT流体仿真软件，对3类不同形状的叶片进行数值分析。比较了不同形状的叶片受力情况。通过分析不同形状叶片的速度矢量场、压力场，总结了不同叶片形状下，叶片式海流能发电装置的外流场分布规律特征，为模型实验和参数优化奠定基础。

叶片式海流能发电装置包括浮体、防水罩、皮带、发电机、夹头、主轴、叶片、导向机构、皮带轮、压块，在导向机构的作用下，叶片在工作过程中始终保持垂直于水面(图 1)。

假设海流方向如图 1箭头所示，当叶片进入水中时，叶片受到水流的冲击，由于叶片始终是垂直的，因此叶片受到水平方向作用力，叶片受到的力通过主轴作用到导向机构上，给导向机构提供了切向力，使导向机构做旋转运动，这样就实现了海水单向流动向旋转运动的转化，导向机构的转动再通过增速机构传递到发电机进行发电。因此，叶片接受海流冲击的面积始终是最大的，并且在出水时阻力最小，海流能的利用效率大大提高。

图 1(Fig. 1)

图 1 叶片式海流能发电装置结构图 Fig. 1 Structure of the new vane current generation device

1.2 叶片结构形状

为了研究叶片形状对发电装置的影响，在相对于迎流方向(从左至右)设计了3类叶片，即平板型(n1)、外凸型(n2、n3、n4)、内凹型(n5、n6、n7)。叶片的高度L为70 mm，厚度为2 mm。外凸型与内凹型的叶片的弧度逐渐增加。

图 2(Fig. 2)

图 2 叶片形状说明图 Fig. 2 Demonstration of blade shapes

2 计算模型 2.1 计算域及边界条件设置

采用二维简化模型进行叶片仿真计算。并根据仿真环境以及文献^{[6, 7]}经验设置计算域为长方形。wall1、wall2代表叶片的前部壁面；wall3、wall4代表叶片的背部壁面；wall5、wall6分别代表叶片的上部壁面和下部壁面。叶片高度为L，选取叶片的前壁与背壁分别距离上游边界和下游边界为4L。叶片上壁与下壁分别距离顶部边界与底部边界约5L。整个计算域关于原点对称。流场参数设置进口边界为速度入口，来流方向为X轴方向，并设置为来流速度为2 m/s；出口边界为压力出口，设置为1个大气压值。计算域上下边界外侧的水环境，设置为对称边界(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 计算域设计及边界条件设置 Fig. 3 Design of computation field and set of boundary conditions

2.2 网格生成

本模型利用GAMBIT软件对计算域进行分块式网格划分^[8]。对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域，平板型叶片采用结构化网格(图 4a)。外凹型和内凸型叶片由于形状较为不规则，采用非结构化网格(图 4b)。其他区域的网格仍采用结构化网格。

图 4(Fig. 4)

图 4 模型计算域与网格划分图 Fig. 4 Computation field and mesh generation

2.3 求解设置

本文求解属于定常问题。利用FLUENT软件进行模拟仿真时，选用基于压力的分离式求解器^{[9, 10]}，数值方法直接求解 2D 不可压粘性流体的(Standard k-ε)方程。

在雷诺应力中，涡粘性模型可以表示为：

湍动能k的输运方程为：

湍流流动的能量耗散率ε的输运方程为：

上述公式中的经验常数分别为：C_μ=0.09；C_ε1=1.44；C_ε2=1.92；σ_k=1.0；σ_ε=1.3。

压力速度耦合使用计算量较小易于收敛的 SIMPLE 算法。为了提高计算精度，减小计算结果的偏差，动量方程、湍动能k方程和耗散率方程均采用 2 阶迎风格式。

由图 5可知，不同叶片形状背壁流域都出现低速尾流区，该尾流向后方逐渐恢复速度。水流流经叶片两侧，叶片两侧前端开始出现流动分离。随着水流绕流叶片上下壁两侧流速急剧增大，靠近叶片上下壁两侧的水流速度达到最大。

相对于第一、二类叶片，第三类叶片的低速区区域影响范围较小，速度恢复较快。绕流之后，叶片的背壁后方区域，第一类平板型叶片的速度矢量变化最小，相对最稳定(图 5)。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同形状叶片外流场速度分布 Fig. 5 Velocity vector of different blades' exterior flow field

3.1.3 不同形状叶片速度最大值比较分析

由图 6可知平板型叶片的速度最大值最大。

图 6(Fig. 6)

图 6 不同形状叶片外流场速度最大值图 Fig. 6 Maximum velocity magnitude of different blades' exterior flow field

3.2 外流场压力 3.2.1 外流场压力分布规律

由图 7可知，叶片前壁受正压，背壁受负压；叶片前壁的压力大于背壁，压力系数分布较稳定均匀。叶片的壁面相对于周围流场承受较大压力。外流场压力最初为正压在接近叶片前壁处正压突然达到最大值，之后随着流动分离正压在叶片后壁后方减小，而叶片后壁处产生负压。

图 7(Fig. 7)

图 7 不同形状叶片外流场压力分布 Fig. 7 Contours of static pressure of different blades' exterior flow field

3.2.2 不同形状叶片压力比较分析

相比第一、二类叶片而言，第三类内凹型叶片的背壁负压区域较大。

由图 8可知，相对于第一、二类叶片，第三类内凹型叶片外流场正压最大值最大，第二类外凸型叶片外流场正压最大值最小。第一类平板型叶片外流场负压最大值最大，第三类内凹型叶片负压最大值最小。

图 8(Fig. 8)

图 8 不同形状叶片外流场压力最大值图 Fig. 8 Maximum value of static pressure of different blades' exterior flow field

3.3 壁面受力比较

第二类外凸型叶片壁面所受总力最小，平板的叶片壁面所受总力最大；外凸型叶片随着弯曲弧度的增加壁面所受总力呈减小趋势(图 9)。

图 9(Fig. 9)

图 9 不同形状叶片壁面受力图 Fig. 9 Maximum force on different types of blades

3.4 尾流分析

叶片背部壁面距离叶片一段距离处的速度矢量变化十分强烈。叶片背壁后方区域出现尾迹流，水流在此处形成两个对称的很强的“涡”。这是造成叶片背部速度波动剧烈的主要原因，叶片的背壁后方具有很强的湍流特性，并伴随着能量的耗散，因此大大增加叶片的阻力。叶片尾涡随着离开叶片背部距离的增大而最终消失。