基于优化理论的变几何水轮机的流动机理研究

首次提出一种用于海流发电的变几何水轮机。该水轮机克服了现有海流发电水轮机的缺陷，利用叶片的变几何结构，减小了水轮机运行阻力，大幅度提高了水轮机的效率。变几何水轮机的性能优化问题是一个非线性、多峰值以及优化变量和目标函数之间没有显式函数关系的复杂优化问题。本申请将根据遗传算法的搜索原理和变几何水轮机的的特殊结构，提出与之相适应的Bezier全参数化模型，构造出适用于该水轮机的适应度函数，采用基于共享机制的小生境遗传算法（Niche GA），发展一种适用于变几何水轮机的全局优化方法。同时，从紊流模型出发，完善适用于变几何水轮机的CFD计算方法，并采用PIV等先进的测试手段，对变几何水轮机的内部流场展开详细的研究。力图通过实验和计算数据的对比、验证，揭示变几何水轮机内部流动机理。

海流发电效率较低是由于两方面的原因。一方面，海流能量密度低，存在分散，是一种熵已经彻底变大的状态；另一方面，海流发电系统中一些关键设备，尤其是对水轮机的研究明显滞后。目前，大多用于海流发电的水轮机还是沿用现有的翼型或叶栅数据，它们在物理和数学上的简化模型：叶栅或孤立翼型是人们研究分析该类水轮机内部流动情况的基础。但必须认识到：传统的叶栅或孤立翼型设计方法是在风洞实验的基础上，反复修正叶栅或翼型的几何形状。.课题组基于一种全新的变几何水轮机的设计，经过四年的研究，在实验和计算的基础上，对变几何水轮机展开详细的研究。通过提出一种全新的PSO－PG全局优化算法，并结合水轮机的工作特点，研究出一种适用于变几何水轮机的水力翼型。采用PIV 等先进的测试手段以及CFD 计算方法，详细研究了水轮机内部流动机理。实验和计算证明，变几何水轮机以及专门用于该水轮机的翼型，能够有效地提高水轮机地能量转换系数，增强机组运行地稳定性。同时，通过海试实验，项目成果的可行性也得到了验证。