doi ：10．16576/j．cnki．1007－4414．2016．06．010
*
陈
龙1，杨
勇1
，李
牧1，陈成军1，董志强
2
（1．青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033；2．青岛市机械工业总公司，山东青岛266071）
摘要：以开发的新型潮流能发电装置为对象，利用有限元仿真技术进行导流箱入射角度的优化设计。通过对潮流 流动特性分析构建了能够反映潮流非稳态三维流动特征的ＲNG 模型，进一步建立了潮流冲击导流箱过程的有限元模型，并对潮流冲击导流箱的动态物理过程进行了有限元仿真分析，获得了不同入射角度下的导流箱受力迭代曲线、压力云图、 水流速度矢量图和水流轨迹图。研究表明：导流箱入射角度最优范围为15ʎ 25ʎ，该范围内，水流冲击性能较好，高速水流数目较多；导流箱外侧对水流的聚集作用明显高于内侧，在潮流能发电装置设计中应注重对导流箱外侧结构的设计。
关键词：潮流能；导流箱；入射角度；有限元仿真；优化中图分类号：TK730
文献标志码：A
文章编号：1007－4414（2016）06－0030－05
Optimization Study on Incident Angle of Current Guiding Box for Current Energy Power System
Based on Finite Element Simulation Technology
CHEN
Long 1，YANG Yong 1，LI Mu 1，CHEN Cheng －jun 1，DONG Zhi －qiang 2
（1．School of Mechanical Engineering ，Qingdao Technological University ，Qingdao Shandong 266033，China ；
2．Qingdao National Machinery Industry Corporation ，Qingdao Shandong 266071，China ）
Abstract ：With the new current energy power system for object ，the incident angle of current guiding box is optmized by using the finite element simulation technology．The ＲNG model is built by analyzing the current flow characteristics which can reflect the unsteady three －dimensional flow characteristics of current．Furthermore ，the finite element model of physical process that the current impacts guiding box is constructed ，
and the physical process of impact on current guiding box is simulated and ana-lyzed．The iterative curve of force ，cloud picture of pressure ，diagram of water flow velocity vector and diagram of water flow trajectory of current guiding box at different incident angle are obtained．The studies have shown that the optimal range of inci-dent angle of current guiding box is 15ʎto 25ʎ，in which th
e performance of current impact is better and the high －speed cur-rent number is more．The accumulation effect of water flow outside current guiding box is stronger than inside ，which means the outside structure design of current guiding box should be attached great importance for design of current energy power sys-tem．
Key words ：current energy ；current guiding box ；incident angle ；finite element simulation ；optimization
0引言
潮流能作为一种新的可再生能源，不仅对环境几
乎不会产生污染，而且储藏比较丰富。另外，随着化石能源等不可再生能源的日益减少以及对环境的保护要求也越来越高，如何有效开发利用潮流能也引起各国很大的重视。在海洋能的开发利用领域中，潮流
能的开发利用已变得最为活跃［1］
。
国内外研究界和工业界在潮流能利用开发方面进行了大量的研究。目前研究主要集中在潮流能发电装置开发方面。根据潮流能转换的原理可分为透
平类及非透平类两大系统［2］
。采用透平作为潮流能发电装置是目前被广泛认可的方案，其中根据透平转
轴和潮流方向及水平面的空间位置关系又可分为水
平轴式（又称为轴流式）和垂直轴式（又称为混流式）两类。除了采用透平外，一些利用新型原理进行潮流能发电的方案也引起了不少研究者的兴趣，这些方案包括振荡水翼式、摆动翼式、文丘里式、压电式、涡流
诱导振动式、帆式、明轮式、降落伞式等［3－5］
。英国的LunarEnergy 公司和美国的UnderwaterElectricKite 公
司开发了导流罩式潮流能水轮机；加拿大蓝能公司设计开发了直叶片竖轴潮流能水轮机。国内从事潮流
能发电装置开发的主要有哈尔滨工程大学、东北师范大学、浙江大学和中国海洋大学等研究院所。哈尔滨
自制防二手烟神器工程大学对潮流能开发利用技术进行了深入研究，开
研究与分析
阻燃纤维2016年第6期（第29卷，总第146期）·机械研究与应用·
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收稿日期：2016－10－27
基金项目：青岛市市南科技发展专项：新型低潮流发电装置能量转换机理研究（编号：2014－13－001－ZH ）。作者简介：陈龙（1994－），男，四川内江人，在读研究生，研究方向：先进制造理论与技术。
网络出版时间：2017-01-13 10:07:04
网络出版地址：wwwki/kcms/detail/62.1066.TH.20170113.1007.010.html
发了60W垂直轴涡轮机发电装置［6］；东北师范大学研制了1kW漂浮式潮流能水平轴涡轮机，对水下监控设备提供了技术支持，该发电装置进行了海上试验［7］；中国海洋大学进行了5kW柔性叶片潮流能水轮机的研制，对模型样机进行了水槽试验［8］；浙江大学早期对“水下风车”海流能发电机进行了理论设计和摸型实验研究，后期对水平轴式海流能发电装置进行了研究［9－10］。
在以上潮流能发电装置的设计和开发中，关键零部件结构参数的优化设计是不可缺少的环节。目前，已有的文献大多数集中在整体装置的研究中，而有关零部件结构及参数优化设计的研究少有报道。另外，目前潮流能发电装置的设计主要借助实验进行完善修正，而实验方法具有时间长、消耗大量的人力和物力等缺点。
随着计算机技术和数值分析技术的不断进步，有限元仿真技术成为研究机械装备结构及参数优化设计的一个重要手段。鉴于当前研究现状，本文采用有限元仿真技术对潮流能发电装置重要零部件导流箱入射角度进行优化设计，研究潮流冲击导流箱的动态物理过程，获得冲击力、水流速等物理量变化规律，通过对不同导流箱入射角度下的大量仿真结果比较和分析，确定最优的导流箱入射角度。本文研究将为设计高效可靠的潮流能发电装置提供理论依据与技术支持。
1潮流流动物理模型构建
流体流动状态主要分为层流和湍流两种，对于一般流场来说，湍流现象普遍存在，而层流属于个别现
象。湍流出现在速度变化的地方，内部形式复杂，引起的波动尺度小、频率高。海洋潮流属于湍流，在构建湍流模型时，需结合模型计算域的特点和计算机的性能进行综合考虑。
目前在湍流仿真中经常使用的是标准k ε湍流模型，相对于其它湍流模型，该模型性能更加稳定，能很好地贴合实际流动情况。该模型通过计算湍流动能k与耗散功率u i的解，得到湍流粘度，再通过Boussinesq假设求解雷诺应力，但其缺点是在旋流等非均匀湍流中计算误差较大。
湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度、浓度等都随时间与空间发生随机的变化。对于这种高度非线性的复杂流动，需要对瞬时的Navier－Stokes方程（即动量守恒方程）作时间平均处理。ＲNG k－ε模型是雷诺时均法中解决湍流问题的一种模型，该模型是两方程湍流模型，适用于强湍流和强涡流，并能得到合理精度的模拟值。本研究选择该模型进行仿真计算，具体数学模型如下所示：
湍流动能方程k，和扩散方程ε：
（ρk）
t
+
（ρku i）
x i
=
x j
αkμeff
k
x
[]j+
G
k
+G
b
－ρε－Y
M
+S
k
（1） （ρε）
t
+
（ρεu i）
x i
=
x j
α
ε
μeff
ε
x
[]j+
C
1ε
ε
κ
（G
k
+C
3ε
G
b
）－C
2ε
ρ
ε2
k
+S
ε
（2）式中：u i为时均速度，μ为动力粘度，μeff为有效粘度
系数，αk和α
ε
分别是与湍动能k和耗散率ε的有效
湍流普朗特数的倒数，μt为湍流粘度系数μt=ρC
μ
k2
ε
，
C
μ
为经验常数，G b是由于浮力引起的湍动能k的产生项，对于不可压流体，G b=0。对于可压流体，有：
G
b
=βg
i
μt
搁物架Pr
t
T
x i
（3）其中：Pr t是湍流普朗特数，在该模型中可取Pr t
=0．85，g
i
是重力加速度在第i方向的分量，β是热膨胀系数，可以由可压流体的状态方程求出，其定义为：β=－
1
ρ
ρ
T
电石发气量
（4）
G
k
是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；表达式为：
G
k
=μ
t
u i
x j
+
u j
x
()i u i x j（5）
Y
M
代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压缩流体，Y M=0；对于可压缩流体，有：Y M=2ρεM2t；S k
和S
ε
是用户定义的源项；C1
ε
、C
2ε
和C3
ε
为经验常数；
模型常数的默认取值为C1
ε
=1．42，C
2ε
=1．68，C
3ε
= 0。
2有限元模型的建立
2．1新型潮流能发电装置
课题组前期开发了一种基于带轮—活动叶片式的新型潮流能发电装置，如图1所示。
图1基于带轮—活动叶片式的新型潮流
能发电装置结构图
·机械研究与应用·2016年第6期（第29卷，总第146期）研究与分析
该装置工作原理如下为：潮流（箭头所示）经入射箱体（导流箱）结构加速后入射到箱体上下两侧的叶片上，由于叶片偏转的最大角度（可调节）被机械装置限定，因此潮流能会给上下叶片组（固定在皮带上）一个沿着皮带方向的拉力，在导向轮和导向轨道的作用下，该拉力驱动皮带和带轮转动，其中的一个皮带轮经增速机构与发电机相连，因此发电机在带轮的转动下发电。
本研究针对该装置中的导流箱结构，进行潮流冲击导流箱物理过程的有限元仿真研究，并在此基础上进行导流箱入射角度优化研究。
2．2导流箱结构的网格划分
网格是模型进行有限元分析的基础，网格质量的
好坏将直接影响计算结果的优劣，网格数目的多少直
接影响计算量的大小。一般情况下，网格数目越多，
理论计算精度会越高，但是网格质量会越难以控制，
进而某些差的网格域又反过来影响精确度。特别是
对于一些体积大、形状复杂的模型，如何对网格数量
和质量进行取舍，是网格划分技术的难点。一个高质
量的网格需要耗费大量时间进行参数设定、修改和优
化，在有限元模拟分析中，会大约占用到80%的时
间。本研究采用UG NX8．5三维软件进行建模，然后
通过接口导入ANSYS ICEM CFD软件。具体建模
时，进行简化设计，以减少网格生成的时间和提高网
格质量。导流箱结构几何模型及其网格模型分别如
图2和3所示。
图2导流箱结构几图3导流箱结构网
何模型格模型
2．3材料特性参数与边界条件
本研究选用液体材料为Water－liquid（液态水），
导流箱结构材料为Steel（钢），其主要特性参数如表1
所示。
表1材料特性参数
名称液态水钢
密度（kg/m3）998．28030
比热容［J/（kg·k）］4182502．48
导热系数［W/（m·k）］0．616．27
采用速度入口边界条件和压力出口边界，设定入
口流速大小为1m/s，出口压力为0Pa，方向垂直于
边界面，Turbulence中选用K And Epsilon湍流模型，
Kinetic Energy（动能）为1m2/s2，DissipationＲate（耗
散速率）为1m2/s3，剩余面采用Wall作为其壁面边
界，并设定其为Stationary Wall（固定壁面），相互之间
无相对滑移和剪切。
3有限元仿真与导流箱入射角度优化
在建立潮流流动物理模型和有限元模型的基础
上，利用ANSYS Fluent软件，进行潮流冲击导流箱物
理过程的有限元仿真，通过大量仿真结果的比较、分
析，对导流箱入射角度进行优化设计。
设计导流箱入射为15ʎ、25ʎ、35ʎ三个角度值，有
限元仿真和分析如下。
（1）不同入射角度下导流箱内侧受力的迭代曲
线如图4所示。
图4不同入射角度下导流箱内侧受力的迭代曲线
从上述导流箱内侧受力的迭代曲线中，可以看出，
入射角度从15ʎ 35ʎ范围内，导流箱受力变化不大。
（2）不同入射角度下导流箱外侧受力的迭代曲
线如图5所示。
研究与分析2016年第6期（第29卷，总第146期）·机械研究与应用·
图5不同入射角度下导流箱外侧受力的迭代曲线
从上述导流箱外侧受力的迭代曲线中，可以看
出，
入射角度在15ʎ 35ʎ范围内，导流箱外侧受力变化不大。
（3）不同入射角度下导流箱内、外侧的压力云图如图6所示
。
图6不同入射角度下导流箱内、外侧的压力云图
压力云图为导流箱体所受的总合力，从上图中可
以看出，入射角度在15ʎ 35ʎ范围内，导流箱体内外侧所受的压力逐渐减小，但变化幅度不大。导流箱外侧压力明显高于内侧，且在边缘处受压力最大。（4）不同入射角度下导流箱水流速度矢量图如图7所示。
从图7中可以看出，入射角度在15ʎ时，水流在导流箱体上分布的密度最大；入射角度在25ʎ和35ʎ时，水流在导流箱体上的分布密度相对15ʎ更低一些。就单股水流入射速度大小而言，在入射角度为
15ʎ的速度比入射角度为25ʎ、35ʎ时稍高一些
。
图7不同入射角度下导流箱水流速度矢量图
（5）不同入射角度下导流箱水流轨迹图如图8
所示。
图8不同入射角度下导流箱水流轨迹图
从图8中可以看出，导流箱外侧的水流速度明显
高于内侧，说明导流箱外侧对水流的聚集作用远大于内侧，且入射角度为15ʎ时的高速水流数目较多。综合以上对不同入射角度下的导流箱受力迭代曲线、压力云图、水流速度矢量图和水流轨迹图分析，可以得出如下结论：
①最优的导流箱入射角度范围为15ʎ 25ʎ，该
·机械研究与应用·2016年第6期（第29卷，总第146期）
研究与分析
不锈钢液压管接头范围内，水流冲击性能较好，高速水流数目较多；
②导流箱外侧对水流的聚集作用明显高于内侧，所以潮流能发电装置设计中应注重对导流箱外侧结构的设计。
4结论
（1）通过对潮流流动特性分析，构建了能够反映潮流非稳态三维流动特征的ＲNG k－ε模型；结合所
开发的基于带轮—活动叶片式的新型潮流能发电装置，建立了导流箱有限元仿真模型；进一步针对潮流冲击导流箱的物理过程进行了有限元仿真分析，获得了不同入射角度下的导流箱受力迭代曲线、压力云图、水流速度矢量图和水流轨迹图。
（2）研究表明：导流箱入射角度最优范围为15ʎ 25ʎ，该范围内，水流冲击性能较好，高速水流数目较多；导流箱外侧对水流的聚集作用明显高于内侧，在潮流能发电装置设计中应注重对导流箱外侧结构的设计。
（3）目前还未有对潮流冲击过程的有限元建模与仿真研究，本文研究工作将是该领域研究的补充和完善。
焊接钢板（4）基于所建立的有限元模型，可进一步开展潮流能发电装置其他零部件的结构与参数优化设计，本文研究方法也将为其他潮流能利用装置的开发与优化分析提供可行的技术方法指导。
参考文献：
［1］Fraenkel P．Tidal current energy technologies［J］．Marine Current Turbines Ltd．Ibis，2006（148）：145－151．
［2］Khan M J，Bhuyan G，Iqbal M T．Hydrokinetic erengy conversion systems and assessment
of horizontal and vertical axis turbines for
river and tidal applications［J］．A technology status review．Applied
Energy，2009，86（10）：1823－1835．
［3］段自豪，陈正寿．潮流发电现状分析及未来展望［J］．中国水运，2012，12（2）：106－107．
［4］徐全坤．水平轴海流能发电机组载荷分析与控制技术研究［D］．杭州：浙江大学，2015．
［5］Ｒourke O，Boyle F，Ｒeynolds A．Tidal energy update［J］．Applied Energy，2010，87（2）：398－409．
［6］戴军，单忠德，王西峰，等．潮流发电技术的发展现状及趋势［J］．能源技术，2010，3（1）：37－41．
［7］盛传明．复杂工况下潮流能水平轴水轮机水动力性能研究及叶片优化［D］．青岛：中国海洋大学，2014．
［8］Shujie Wang，Peng Yuan，Dong Li，Yuhe Jiao．An overview of o-cean renewable energy in China［J］．Ｒenewable and Sustainable En-
ergyＲeviews，2011，15（1）：91－111．
［9］林勇刚，李伟，刘宏伟，等．水下风车海流能发电技术［J］．浙江大学学报：工学版，2008，42（7）：1242－1246．
［10］马舜，李伟，刘宏伟，等．25kW独立运行式水平袖測流能发电系统［J］．电力系统自动化，2010，34（14）：18－
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
22．
（上接第29页）
是如何大大减少机器人远程控制的控制信号更新量，有助于在应用于远程操作环境时减少网络业务，同时为其它应用释放通信资源。例如，视频流，共享信道带宽等。本文所描述的自适应自触发技术的
一个关键缺点是状态反馈的必要性，而完全状态通常不能从测量访问得到。另外，在自我触发的实现中，在对命令的响应存在一定的延迟。这是由于当提供新的设定点时，需要根据自触发时间独立地调度来更新控制律造成的。事实上，在未来的应用中，会出现更多的体机器人协作完成任务，这种系统的设置将更为复杂，可能出现可变的通信延迟，这需要以更复杂的方式来处理。
参考文献：
［1］Peng Zhao－xia，Yang Shi－chun，Wen Guo－guang．Adaptive dis-tributed formation control for multiple nonholonomic wheeled mobile
robots［J］．Neurocomputing，2016（173）：1485－1494．
［2］李建华，庄健，王孙安．基于综合导向的轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制［J］．西安交通大学学报，2005，39（3）：252－
255．
［3］利曼科技有限公司．Pioneer3移动机器人操作手册［Z］．V5．0：42－77．
［4］王峥．P3DX机器人自主行为体系设计及BTMCPP－CSMA协议分析［D］．昆明：云南大学，2013．
［5］Huang Jiang－shuai，Wen Chang－yun，Wang Wei．Adaptive output feedback tracking control of a nonholonomicmobile robot［J］．Auto-matica，2014（50）：821－831．
［6］李万玉，董介春．移动机器人路径跟踪控制方法的研究［J］．青岛大学学报（自然科学版），17（2）：36－40．
［7］李金彦．基于AＲM的移动机器人路径规划控制算法研究［J］．机械研究与应用，2015，28（138）：30－33．
［8］胡矿．P3－DX机器人自主控制体系结构研究［J］．曲靖师范学院学报，2010，29（3）：74－78．
［9］Mirosaw，Galicki．An adaptive non－linear constraint control of mo-bile manipulators［J］．Mechanism and Machine Theory，2015（88）：
63－85．
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