摘 要：為抑制潮流能水輪機(jī)葉片根部的邊界層流動(dòng)分離，提高水輪機(jī)葉片的發(fā)電效率，將格尼襟翼（GF）和渦流發(fā)生器（VGs）附加件組合引入到潮流能水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)領(lǐng)域。以NACA63418翼型為對(duì)象，分別建立原始葉片、帶GF葉片、帶VGs葉片、帶GF和VGs附加件組合的葉片模型。通過試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究單獨(dú)加裝GF和VGs對(duì)水輪機(jī)三維扭曲葉片的影響效果和作用機(jī)理，進(jìn)而開展GF和VGs組合式葉片附加件對(duì)水輪機(jī)葉片水動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律的研究。結(jié)果表明：1） 對(duì)直徑為700 mm的原始水輪機(jī)葉片，其葉片吸力側(cè)根部容易發(fā)生流動(dòng)分離和徑向流動(dòng)；2） 單獨(dú)安裝GF既能改善水輪機(jī)葉片根部翼型尾緣處的徑向流動(dòng)，又能增大葉片翼型的后半部分上下表面的壓差，且當(dāng)GF高度為[2.0%C]時(shí)，最佳葉尖速比（λ=5）下的葉片獲能系數(shù)可提高約1.7%；3） 單獨(dú)安裝VGs可通過抑制葉片根部的流動(dòng)分離，使處在最佳葉尖速比下的葉片獲能系數(shù)提高約1.0%；4） 安裝GF和VGs組合式葉片附加件可將單獨(dú)加裝二者的優(yōu)勢充分融合，既能有效抑制葉片根部的流動(dòng)分離，又能全面增大葉片翼型上下表面的壓差，葉片獲能系數(shù)可提高約1.7%～4.8%，其中最佳葉尖速比下的葉片獲能系數(shù)可提高約2.5%。

關(guān)鍵詞：潮流能；水輪機(jī)葉片；數(shù)值模擬；渦流發(fā)生器；格尼襟翼；流動(dòng)控制組合

中圖分類號(hào)：TK730 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

葉片是潮流能水輪機(jī)組的核心零部件［1］，在來流速度過大時(shí)，容易在葉根附近發(fā)生流動(dòng)分離及徑向流動(dòng)，降低水輪機(jī)葉片的發(fā)電效率［2］。研發(fā)設(shè)計(jì)一種高效率、水動(dòng)力性能優(yōu)異的水輪機(jī)葉片造價(jià)高、耗時(shí)長，而在已有葉片上加裝流動(dòng)控制裝置來提升性能顯得更為實(shí)用。

作為常見的流動(dòng)控制附加件，格尼襟翼（gurney flap， GF）和渦流發(fā)生器（vortex generators， VGs）受到了廣泛的關(guān)注［3］。格尼襟翼具有結(jié)構(gòu)簡單、增升效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，最早用于賽車后翼板來增大抓地力，后被用于提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率［4］。文獻(xiàn)［5-6］研究表明，安裝GF可增大葉片截面翼型的升力系數(shù)，提高葉片轉(zhuǎn)子的扭矩和推力。渦流發(fā)生器可抑制葉片翼型表面的流動(dòng)分離、增大翼型失速角、改善翼型失速后的性能，最早應(yīng)用在航天領(lǐng)域，后被用于改善風(fēng)力機(jī)和潮流能水輪機(jī)葉片的性能［7］。文獻(xiàn)［8-9］研究表明，安裝VGs可改善葉片表面的流動(dòng)分離，提高風(fēng)力機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩和發(fā)電量。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)GF和VGs附加件組合的研究較少，且主要集中在風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域。文獻(xiàn)［10］研究表明，在風(fēng)力機(jī)翼型上加裝GF和VGs的流動(dòng)控制組合可全面提高翼型升力，同時(shí)還可抑制翼型表面的流動(dòng)分離，改善翼型的氣動(dòng)性能；文獻(xiàn)［11］研究表明，在風(fēng)力機(jī)葉片尾緣加裝不同高度的微型GF、葉片根部加裝VGs的附加件組合可使葉片吸力側(cè)的流動(dòng)分離區(qū)域向葉片根部移動(dòng)，風(fēng)力機(jī)的獲能效率得到提高。

在潮流能水輪機(jī)葉片領(lǐng)域，雖然潮流能水輪機(jī)與風(fēng)力機(jī)具有一定的相似性，但由于海水的密度遠(yuǎn)大于空氣，故葉片所受水的重力影響不能忽視，同時(shí)潮流能水輪機(jī)的工作環(huán)境更為復(fù)雜惡劣，葉片邊界層更易發(fā)生流動(dòng)分離，導(dǎo)致獲能效率降低。故本文將GF和VGs附加件組合引入到潮流能水輪機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)，并開展組合式葉片附加件對(duì)葉片水動(dòng)力學(xué)性能的影響機(jī)理研究。以基于NACA63418翼型而設(shè)計(jì)的三維扭曲葉片為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究單獨(dú)加裝GF和VGs對(duì)水輪機(jī)三維扭曲葉片的影響效果和作用機(jī)理，進(jìn)而開展GF和VGs組合式葉片附加件對(duì)水輪機(jī)葉片水動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律的研究。

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是以NACA63418翼型為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的水輪機(jī)葉片，其主要幾何尺寸參數(shù)見文獻(xiàn)［12］，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。利用Solidworks軟件對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行幾何建模，所得模型如圖1所示。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

本文采用STAR CCM+商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并在葉片繞流過程中，選用基于不可壓縮流體的三維連續(xù)性方程和N-S方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。采用SST k-ω湍流模型，該模型在近壁邊界層、繞流以及尾部流場計(jì)算等方面的準(zhǔn)確性較高［13］。

三維不可壓縮Navier-Stokes方程為：

[?ρu?t+u?ρu?x+v?ρu?y+w?ρu?z=" " " " " " " " " -?p?x+μ?2u?x2+?2u?y2+?2u?z2] （1）

[?ρv?t+u?ρv?x+v?ρv?y+w?ρv?z=" " " " " " "-?p?y+μ?2v?x2+?2v?y2+?2v?z2] （2）

[?ρw?t+u?ρw?x+v?ρw?y+w?ρw?z=" " " " " " " -?p?z+μ?2w?x2+?2w?y2+?2w?z2] （3）

三維連續(xù)性方程為：

[?（ρu）?x+?（ρv）?y+?（ρw）?z=0] （4）

式中：[u、v、w]——[x、y、z]方向上的速度分量，m/s；[p]——壓力，Pa；[t]——時(shí)間，s；[ρ]——工作流體密度，kg/m3。

2.2 計(jì)算域及邊界條件

本文所采用的計(jì)算域及邊界條件如圖2所示，為減少計(jì)算量，考慮到此水平軸水輪機(jī)葉片呈周期對(duì)稱分布，故選用該葉片及流場的1/3進(jìn)行數(shù)值模擬，并在兩側(cè)設(shè)置為周期性邊界條件。為降低邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，設(shè)置左側(cè)速度進(jìn)口位于葉片前端[10R]（[R]為葉片半徑），進(jìn)口速度為1.4～2.4 m/s，右側(cè)壓力出口位于尾緣葉片后端[20R]，外緣圓柱壁面的半徑為[10R]。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

本文采用STAR CCM+商業(yè)軟件包含的多面體網(wǎng)格，其兼具四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，即在容易生成網(wǎng)格的同時(shí)還具有較高的準(zhǔn)確性。并設(shè)置葉片表面第一層邊界層厚度為0.017 mm，網(wǎng)格增長率為1.1，以保證[y+≤1]，在葉尖速比 λ=5時(shí)，以葉片獲能系數(shù)（[Cp]）為指標(biāo)，分析不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果的影響，分別取網(wǎng)格數(shù)量為120、256和415萬，具體數(shù)據(jù)如表2所示，可看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到256萬后[Cp]基本保持穩(wěn)定，考慮到計(jì)算效率和成本，選用該網(wǎng)格數(shù)量對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行數(shù)值分析。

2.4 數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，采用和試驗(yàn)時(shí)相同的模型。保持水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)速270 r/min不變，通過調(diào)節(jié)來流速度得到目標(biāo)葉尖速比，并在不同葉尖速比下將文獻(xiàn)［12］試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CFD仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。從圖3可看出，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，且原始葉片在λ=5時(shí)可獲得最大的獲能系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 原始葉片表面流動(dòng)情況

為分析原始葉片表面在不同葉尖速比下的流動(dòng)情況，圖4為水輪機(jī)原始葉片吸力側(cè)的流線分布情況?？煽闯觯讦?4時(shí)（圖4a），由于來流速度較大，原始葉片的吸力側(cè)出現(xiàn)了明顯的流動(dòng)分離，并在葉根到葉中范圍內(nèi)產(chǎn)生徑向流動(dòng)；保持葉片轉(zhuǎn)速不變，減小來流速度（葉尖速比增大），會(huì)逐漸減小原始葉片表面的流動(dòng)分離區(qū)域面積，并在λ=7時(shí)主要集中在葉根部分。

3.2 GF高度對(duì)葉片水動(dòng)力性能的影響

格尼襟翼作為一種有效的流動(dòng)控制裝置，可增大翼型的有效彎度，從而提高翼型的繞流環(huán)量和升力［14］。其作用效果與格尼襟翼的高度（[H]）［15］、安裝位置［16］等有關(guān)。根據(jù)前文在最佳葉尖速比λ=5時(shí)對(duì)原始葉片吸力側(cè)表面流動(dòng)分離區(qū)域的分析，可選取在原始葉片徑向的30%～45%位置處（如圖4b）安裝格尼襟翼。Jain等［16］的研究結(jié)果表明，當(dāng)GF位于葉片翼型尾緣時(shí)，其對(duì)翼型的增升效果較好；Graham等［17］的研究結(jié)果表明，GF厚度越小，其對(duì)翼型性能的改善效果越好，但GF厚度越小強(qiáng)度越差，故本文選取GF的厚度為0.3 mm。GF的安裝位置如圖5所示。

為保證CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)GF及其附近網(wǎng)格進(jìn)行單獨(dú)加密，其他網(wǎng)格設(shè)置保持不變，此時(shí)加裝GF的葉片網(wǎng)格如圖6所示。

對(duì)加裝GF1（[H=1%C]）、GF2（[H=2%C]）和GF3（[H=3%C]）的葉片獲能系數(shù)進(jìn)行分析，如圖7所示，其中GF1、GF2和GF3 3個(gè)模型的高度不同，其余參數(shù)均相同；[C]為葉片翼型的弦長。可看出，當(dāng)葉尖速比λ=4～7時(shí)，在葉片根部翼型尾緣處安裝GF均能提高獲能系數(shù)，且隨著襟翼高度的增加，水輪機(jī)葉片的獲能系數(shù)先增大后減小。在加裝GF2后，最佳葉尖速比（即λ=5）下的葉片獲能系數(shù)可提高約1.7%。

為進(jìn)一步揭示格尼襟翼對(duì)水輪機(jī)葉片水動(dòng)力學(xué)性能的作用機(jī)理，圖8給出了λ=5時(shí)帶GF2和不帶GF2在葉片截面A位置處對(duì)翼型速度場的影響，截面A位置如圖4b所示，距離葉片中心0.118 m。

由圖8a可看出，截面A位置靠近葉根，原始葉片截面翼型的攻角較大，流體在流經(jīng)此截面葉片翼型時(shí)，在吸力面尾緣附近已產(chǎn)生明顯流動(dòng)分離；加裝GF2后（圖8b），相當(dāng)于增大此截面翼型的有效彎度，翼型下表面的流動(dòng)受到阻礙，上表面的流動(dòng)分離區(qū)域面積有所減小，流動(dòng)分離區(qū)域向GF后方移動(dòng)，這說明此截面葉片翼型流動(dòng)分離得到一定的抑制。

3.3 VGs對(duì)葉片水動(dòng)力性能的影響

渦流發(fā)生器作為有效的被動(dòng)流動(dòng)控制裝置，可產(chǎn)生“翼尖渦”，增強(qiáng)VGs后方邊界層流體抗逆壓梯度的能力，從而抑制流動(dòng)分離［18］。VGs的流動(dòng)控制效果與VGs高度、長度、安裝角度、內(nèi)外間距和安裝位置等都有關(guān)系［19-22］。文獻(xiàn)［23］分析了水輪機(jī)葉片吸力側(cè)加裝VGs對(duì)獲能系數(shù)和流動(dòng)分離的作用效果，確定在葉片徑向20%位置處布置5對(duì)VGs，并選取VGs厚度為0.2 mm，高度為2.6 mm，長度為8.8 mm，內(nèi)間距為5.2 mm，安裝角度為16.4°，每對(duì)VGs之間的間距為13.0 mm。本文選取與文獻(xiàn)［23］相同的VGs安裝位置及參數(shù)，如圖9所示。

為保證CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，保持基礎(chǔ)網(wǎng)格設(shè)置不變，對(duì)VGs部分進(jìn)行單獨(dú)的網(wǎng)格加密，同時(shí)考慮到VGs的厚度僅為0.2 mm，以此厚度生成的網(wǎng)格質(zhì)量較低，影響數(shù)值模擬結(jié)果，故本文將VGs設(shè)置為0厚度面，此時(shí)加裝VGs的葉片網(wǎng)格情況如圖10所示。

圖11為λ=5時(shí)加裝VGs對(duì)葉片吸力側(cè)表面極限流線的影響?？煽闯觯既~片吸力側(cè)出現(xiàn)了流動(dòng)分離現(xiàn)象，且集中在葉片根部到葉片中部；加裝VGs后，葉片吸力面的流動(dòng)分離得到明顯的抑制。

為進(jìn)一步揭示加裝VGs對(duì)葉片翼型表面邊界層流動(dòng)分離的抑制效果，圖12為λ=5時(shí)截面B位置處（見圖11b）的速度流場對(duì)比?？煽闯?，在此截面位置處已發(fā)生流動(dòng)分離（圖12a）；加裝VGs后，葉片翼型吸力面的流速增大，尾緣處的流動(dòng)分離得到明顯的抑制（圖12b），這是由于VGs在流場中能產(chǎn)生“翼尖渦”，從而向VGs后方的邊界層注入能量，提高邊界層抗逆壓梯度的能力，抑制流動(dòng)分離現(xiàn)象。

分析安裝VGs對(duì)葉片獲能系數(shù)的影響，如圖13所示?？煽闯?，原始葉片在λ=5時(shí)可獲得最大獲能系數(shù)，加裝VGs可改善葉片的獲能系數(shù)，這說明加裝VGs可通過抑制葉片表面的流動(dòng)分離來提高其獲能效率，在加裝VGs后，最佳葉尖速比下的葉片獲能系數(shù)可提高約1.0%。

3.4 組合式附加件對(duì)葉片水動(dòng)力性能的影響

如圖14所示，保持GF2和VGs葉片附加件的安裝位置不變，對(duì)原始葉片、單獨(dú)加裝GF2、單獨(dú)加裝VGs和二者附加件組合的4種葉片進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)性能的對(duì)比分析。

圖15為葉尖速比λ=5時(shí)單獨(dú)加裝GF2、VGs以及二者附加件組合對(duì)水輪機(jī)葉片吸力側(cè)表面極限流線的對(duì)比?？煽闯觯?5時(shí)原始葉片的根部已發(fā)生明顯的流動(dòng)分離現(xiàn)象和徑向流動(dòng)（圖15a）；加裝VGs可使葉片根部吸力側(cè)的流動(dòng)分離區(qū)域明顯減小，這說明VGs可改善葉片根部的流動(dòng)分離現(xiàn)象（圖15b）；加裝GF2可改善位于葉片尾緣的徑向流動(dòng)，從而抑制水輪機(jī)葉片中部位置處的流動(dòng)分離（圖15c）；加裝二者附加件組合可顯著減小葉片根部的流動(dòng)分離區(qū)域面積，有效抑制流動(dòng)分離 （圖15d），改善葉片吸力側(cè)的流動(dòng)。

圖16為λ=5時(shí)，VGs、 GF2及二者附加件組合在截面B（圖15d）位置處的速度流場變化。可看出，此截面距離葉根較遠(yuǎn)，僅存在一定的流動(dòng)分離（圖16a）；單獨(dú)加裝VGs后產(chǎn)生“翼尖渦”可增大其附近的流速，從而向VGs后方的邊界層注入能量，抑制流動(dòng)分離（圖16b）；單獨(dú)加裝GF2則可通過增大翼型有效彎度，阻礙翼型壓力面流體的流動(dòng)，使流動(dòng)分離區(qū)域的面積變小并向襟翼后方移動(dòng)，從而抑制此時(shí)的流動(dòng)分離 （圖16c）；加裝二者附加件組合則可結(jié)合單獨(dú)加裝時(shí)的優(yōu)勢，既能有效抑制流動(dòng)分離現(xiàn)象，還能增大葉片翼型吸力面的流速（圖16d），使葉片翼型的水動(dòng)力學(xué)改善效果最佳。

圖17為λ=5時(shí)VGs、 GF2及二者附加件組合在截面A（圖15d）位置處的速度流場變化?？煽闯?，此截面距離葉根較近，葉片翼型已發(fā)生明顯的流動(dòng)分離 （圖17a）；單獨(dú)加裝VGs可抑制截面翼型的流動(dòng)分離，并推遲吸力面的流動(dòng)分離點(diǎn)（圖17b）；單獨(dú)加裝GF2能減小流動(dòng)分離區(qū)的面積并使分離區(qū)域向尾緣處移動(dòng)，但對(duì)流動(dòng)分離點(diǎn)的位置幾乎無影響（圖17c）；加裝二者附加件組合則可結(jié)合單獨(dú)加裝時(shí)的優(yōu)勢，既能推遲此截面翼型的流動(dòng)分離點(diǎn)，還可抑制葉片翼型截面的流動(dòng)分離并使分離區(qū)域向尾緣處移動(dòng)，對(duì)葉片翼型流場的改善效果最佳（圖17d）。

為進(jìn)一步說明加裝GF2和VGs及二者附加件組合的作用機(jī)理，圖18為λ=5時(shí)不同附加件及組合在截面A、B（圖15d）處沿弦長（C）表面壓力分布的影響?？煽闯?，在截面B位置處，加裝VGs可減小翼型吸力面0.0～0.8C范圍內(nèi)的壓力值，增大壓差，這是由于VGs的產(chǎn)生“翼尖渦”可將外部流體動(dòng)量注入到邊界層中，從而改善翼型表面的壓力分布；加裝GF2可通過增大翼型的有效彎度提高翼型吸力面0.4～1.0C范圍內(nèi)的壓力值，增大壓差；組合式葉片附加件可結(jié)合單獨(dú)加裝GF2和VGs的優(yōu)勢，既可保留VGs對(duì)葉片翼型前半部分的影響，還可利用GF2改善后半部分的壓差，進(jìn)而全面提高葉片翼型上下表面的壓差。

在截面A位置處，加裝VGs可提高葉片翼型壓力面0.0～[0.5C]范圍內(nèi)的壓力值，增大壓差，但會(huì)降低翼型后半部分的性能，這是由于翼型后半部分的流動(dòng)分離劇烈，且存在明顯的徑向流動(dòng)（圖14a），使得VGs在此范圍內(nèi)的作用效果不明顯，只引起阻力損失，從而減小翼型后半部分的壓差；加裝GF2和加裝GF2和VGs的附加件組合的作用效果與截面A相似，其中組合式葉片附加件可結(jié)合單獨(dú)加裝GF2和VGs的優(yōu)勢，并改善翼型后半部分由于加裝VGs而引起的壓差降低的現(xiàn)象，進(jìn)而獲得最佳的表面壓力分布。

分析安裝GF2、VGs以及二者附加件組合對(duì)葉片獲能系數(shù)的影響，如圖19所示。可看出，安裝不同的附加件均可提高原始葉片的獲能系數(shù)，且加裝附加件組合的葉片整體性能明顯優(yōu)于單獨(dú)加裝GF2和VGs的葉片。水輪機(jī)葉片表面安裝組合式葉片附加件能夠全面提高原始葉片的獲能性能，相比原始葉片，加裝組合式葉片附加件在λ=7（低流速）時(shí)可使葉片獲能系數(shù)提高約4.8%，λ=5（即最佳尖速比）時(shí)可提高約2.5%，λ=4（高流速）時(shí)可提高約1.7%。

4 結(jié) 論

本文以NACA63418潮流能水輪機(jī)三維扭曲葉片為研究對(duì)象，依次分析帶GF、帶VGs和二者附加件組合對(duì)葉片水動(dòng)力學(xué)性能的影響，所得結(jié)論如下：

1）通過分析不同葉尖速比下原始葉片吸力側(cè)表面的流線分布，揭示了水輪機(jī)葉片的邊界層流動(dòng)分離現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上確定GF、VGs及附加件組合的安裝位置。

2）單獨(dú)安裝GF可通過增大葉片翼型的有效彎度，改善水輪機(jī)葉片根部翼型尾緣附近的徑向流動(dòng)，提高葉片翼型后半部分的壓差，對(duì)加裝GF1（[H=1%C]）、GF2（[H=2%C]）和GF3（[H=3%C]）的葉片獲能系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析得出，當(dāng)H=2%C時(shí)最佳葉尖速比下葉片獲能系數(shù)可提高約1.7%。

3）單獨(dú)安裝VGs可通過產(chǎn)生“翼尖渦”向其后方邊界層注入動(dòng)能，抑制水輪機(jī)葉片的流動(dòng)分離現(xiàn)象，改善葉片的水動(dòng)力學(xué)性能，最佳葉尖速比時(shí)的葉片獲能系數(shù)可提高約1.0%。

4）綜合考慮，安裝GF和VGs附加件組合的水輪機(jī)葉片可綜合單獨(dú)加裝GF和VGs的優(yōu)勢，既可抑制葉片根部的流動(dòng)分離，又能全面增大葉片翼型上下表面的壓差，使葉片的水動(dòng)力學(xué)性能改善效果最佳，在λ=7（低流速）時(shí)可使葉片獲能系數(shù)提高約4.8%，λ=5（即最佳尖速比）時(shí)可提高約2.5%，λ=4（高流速）時(shí)可提高約1.7%。

綜上所述，本文的研究果可為GF和VGs的附加件組合提升潮流能水輪機(jī)葉片獲能提供理論指導(dǎo)，在上述基礎(chǔ)上，還需開展組合式葉片附加件對(duì)實(shí)尺度水輪機(jī)葉片的影響和試驗(yàn)研究，這也將是本團(tuán)隊(duì)下一步研究工作的重要內(nèi)容。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 胡振輝， 袁鵬， 司先才， 等. 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的潮流能水輪機(jī)葉片翼型性能保真替代計(jì)算模型對(duì)比研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（12）： 495-502.

HU Z H， YUAN P， SI X C， et al. Comparative study of surrogate calculation models for performance of blade hydrofoil of tidal turbine based on data-driven［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（12）： 495-502.

［2］ KUNDU P. Hydrodynamic design of a horizontal axis current turbine with passive flow control using vortex generator" and" inserted" tube［J］." International" journal" of green energy， 2024， 21（1）： 143-153.

［3］ 吳柏慧， 李春， 朱海天， 等. 風(fēng)力機(jī)葉片被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 熱能動(dòng)力工程， 2019， 34（9）： 24-40.

WU B H， LI C， ZHU H T， et al. Research progress of passive flow control technology for wind turbine blade［J］. Journal of engineering for thermal energy and power， 2019， 34（9）： 24-40.

［4］ 崔釗， 高華， 韓東， 等. 格尼襟翼對(duì)低雷諾數(shù)翼型流場的影響研究［J］. 計(jì)算機(jī)仿真， 2018， 35（7）： 15-21.

CUI Z， GAO H， HAN D， et al. Study on impact of gurney flaps on low Reynolds number airfoil flowfield［J］. Computer simulation， 2018， 35（7）： 15-21.

［5］ ALBER J， SOTO-VALLE R， MANOLESOS M， et al. Aerodynamic effects of Gurney flaps on the rotor blades of a research wind turbine［J］. Wind energy science， 2020， 5（4）： 1645-1662.

［6］ YAO Y， MA D L， ZHANG L， et al. Aerodynamic optimization and analysis of low Reynolds number propeller with gurney flap for ultra-high-altitude unmanned aerial vehicle［J］. Applied sciences， 2022， 12（6）： 3195.

［7］ HAO L S， GAO C， SONG W P， et al. Airfoil flow control using vortex generators and a Gurney flap［J］. Proceedings of the institution of mechanical engineers， part C： journal of mechanical engineering science， 2013， 227（12）： 2701-2706.

［8］ SKRZYPI?SKI W， GAUNAA M， BAK C， et al. Increase in the annual energy production due to a retrofit of vortex generators on blades［J］. Wind energy， 2020， 23（3）： 617-626.

［9］ 江瑞芳， 趙振宙， 馮俊鑫， 等. 渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制的數(shù)值研究［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2021， 42（12）： 3170-3177.

JIANG R F， ZHAO Z Z， FENG J X， et al. Numerical study on flow control of wind turbine blade by vortex generators［J］." Journal" "of" "engineering" "thermophysics， 2021， 42（12）： 3170-3177.

［10］ 郝禮書， 喬志德， 宋文萍. 基于渦流發(fā)生器和Gurney襟翼的翼型繞流流動(dòng)控制試驗(yàn)研究［J］. 航空學(xué)報(bào)， 2011， 32（8）： 1429-1434.

HAO L S， QIAO Z D， SONG W P. Experimental research on control flow over airfoil based on vortex generator and gurney flap［J］. Acta aeronautica et astronautica sinica， 2011， 32（8）： 1429-1434.

［11］ ALBER J， MANOLESOS M， WEINZIERL-DLUGOSCH G， et al. Experimental investigation of mini Gurney flaps in combination with vortex generators for improved wind turbine blade performance［J］. Wind energy science， 2022， 7（3）： 943-965.

［12］ REN Y R， LIU B W， ZHANG T T， et al. Design and hydrodynamic analysis of horizontal axis tidal stream turbines with winglets［J］. Ocean engineering， 2017， 144： 374-383.

［13］ MENTER F R， KUNTZ M， LANGTRY R， et al. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model［J］. Turbulence heat and mass transfer， 2003， 4（1）： 625-632.

［14］ LEE T， LEE L. Effect of gurney flap on unsteady wake vortex［J］. Journal of aircraft， 2007， 44（4）： 1398-1402.

［15］ 楊瑞， 郭瑞， 張康康， 等. 襟翼高度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2020， 41（11）： 248-253.

YANG R， GUO R， ZHANG K K， et al. Effect of gurney flap height on wind turbine aerodynamic performance［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（11）： 248-253.

［16］ JAIN S， SITARAM N， KRISHNASWAMY S. Computational investigations on the effects of gurney flap on airfoil aerodynamics［J］. International scholarly research notices， 2015， 2015： 402358.

［17］ GRAHAM M， MURADIAN A， TRAUB L W. Experimental study on the effect of gurney flap thickness on airfoil performance［J］. Journal of aircraft， 2017， 55（2）： 897-904.

［18］ 江瑞芳， 趙振宙， 劉惠文， 等. 渦流發(fā)生器安裝參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)翼段動(dòng)態(tài)失速影響［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2023， 44（1）： 218-225.

JIANG R F， ZHAO Z Z， LIU H W， et al. Influence of vortex generators installation parameters on dynamic stall of wind turbine airfoil［J］. Acta energiae solaris sinica， 2023， 44（1）： 218-225.

［19］ ZHU C Y， WANG T G， WU J H. Numerical investigation of passive vortex generators on a wind turbine airfoil undergoing" pitch" oscillations［J］." Energies，" 2019，" 12（4）： 654.

［20］ LIN J C. Review of research on low-profile vortex generators to control boundary-layer separation［J］. Progress in aerospace sciences， 2002， 38（4/5）： 389-420.

［21］ FOUATIH O M， MEDALE M， IMINE O， et al. Design optimization of the aerodynamic passive flow control on NACA 4415 airfoil using vortex generators［J］. European journal of mechanics-B/fluids， 2016， 56： 82-96.

［22］ CHEN H. Numerical investigation of the effects of vortex generators on the Bell A821201 airfoil［J］. Journal of the Brazilian society of mechanical sciences and engineering， 2021， 43（11）： 516.

［23］ 劉永輝， 者浩楠， 譚俊哲， 等. 渦流發(fā)生器對(duì)潮流能水輪機(jī)葉片流動(dòng)分離特性影響研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2022， 43（11）： 358-363.

LIU Y H， ZHE H N， TAN J Z， et al. Study on influence of vortex generator on flow separation characteristics of tidal turbine blades［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（11）： 358-363.

INFLUENCE OF COMBINED CIRCULATION CONTROL BY

GF AND VGS FOR TIDAL TURBINE PERFORMANCE IMPROVEMENT

Liu Yonghui1，2，Pei Zhen1，Xue Yu1，Tan Junzhe1，3，Yuan Peng1，3，Si Xiancai1，3

（1. College of Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266500， China；

2. Engineering Training Center， Ocean University of China， Qingdao 266100， China；

3. Ocean Engineering Key Laboratory of Qingdao， Qingdao 266100， China）

Abstract：In order to suppress the boundary layer flow separation at the root of the tidal turbine blade and improve the power efficiency of the tidal turbine blade， this paper introduces the combined circulation control of Gurney flap （GF） and Vortex generators （VGs） into the field of turbine blade design. Based on the NACA63418 hydrofoil， the blade models with GF， VGs， and their combination are established respectively. Through the combination of experiment and CFD numerical simulation， the effect of GF and VGs installed separately on the three-dimensional twisted blades of the turbine are studied， and then the research on the influence of their combination is carried out. The results show that： 1） For the original turbine blades with a diameter of 700 mm， the root of the blade suction side is prone to flow separation and radial flow； 2） Installing GF can not only improve the radial flow at the root of the turbine blade hydrofoil trailing edge， but also increase the pressure on the upper and lower surfaces of the second half of the blade hydrofoil， and when the GF height is [2.0%C] （[C] is the chord length of the blade hydrofoil）， the power efficiency coefficient can be increased by about 1.7% at the optimal tip speed ratio （λ=5）； 3） Installing VGs can increase the power efficiency coefficient at the best tip speed ratio by about 1.0% by suppressing the flow separation at the blade root； 4） The combined circulation control of GF and VGs can combine both of their advantages， and it can not only effectively suppress the flow separation at the root of the blades， but also increase the pressure difference between the upper and lower surfaces of the blade hydrofoil. The power efficiency can be increased by about 1.7%-4.8%， and the power efficiency coefficient at the best tip speed ratio can be increased by about 2.5%.

Keywords：tidal power； blade hydrofoil； numerical simulation； vortex generators； gurney flap； combined flow control