導(dǎo)流板對(duì)Savonius型海流發(fā)電葉輪的影響分析

宋保維, 楊 莼, 田文龍

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導(dǎo)流板對(duì)Savonius型海流發(fā)電葉輪的影響分析

宋保維, 楊 莼, 田文龍

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

Savonius型葉輪是應(yīng)用最廣泛的海流發(fā)電葉輪之一, 其成本低、自啟動(dòng)性較好, 但是發(fā)電效率較低。為了提高Savonius葉輪的發(fā)電效率, 提出了在Savonius葉片上增加3塊導(dǎo)流板的新型垂直軸式葉輪的設(shè)計(jì)方案。為了探索導(dǎo)流板對(duì)葉輪的發(fā)電性能影響, 利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT分析了葉輪在不同旋轉(zhuǎn)速度下的發(fā)電特性, 采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)葉輪進(jìn)行了2D非定常數(shù)值流體計(jì)算, 分析了在工作環(huán)境下葉輪的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的基本特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明, 該葉輪在尖速比=0.9時(shí)獲得最大平均功率系數(shù)0.481, 其發(fā)電效率大約比Savonius葉輪高10%～20%左右。

垂直軸式葉輪; Savonius葉輪; 導(dǎo)流板; 滑移網(wǎng)格; 計(jì)算流體力學(xué)

0 引言

Savonius葉輪是應(yīng)用最廣泛的垂直軸式葉輪之一。Kamoji M A等對(duì)Savonius葉輪幾何參數(shù)對(duì)葉輪性能及靜力矩效率的影響作出分析[1]; Afungchui D等從理論方面對(duì)Savonius葉輪的非線性瞬態(tài)勢(shì)流進(jìn)行了研究, 并對(duì)其流體動(dòng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)[2]; Saha U等通過(guò)水洞試驗(yàn)對(duì)Savonius葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]; Shigetomi A等研究了2個(gè)Savonius葉輪之間的干擾問(wèn)題[4]; Golecha K等對(duì)安置在Savonius葉輪上產(chǎn)生最大功率的導(dǎo)流板的最佳位置問(wèn)題進(jìn)行了研究[5]; Mohamed M等對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

本文提出利用導(dǎo)流板增加Savonius葉輪效率的設(shè)計(jì)方案, 分別針對(duì)兩葉片Savonius葉輪和導(dǎo)流板結(jié)合的新型葉輪, 研究了葉輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)葉輪發(fā)電性能的影響, 分析了其在工作環(huán)境下的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和流場(chǎng)的基本特性, 為海流發(fā)電裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)和必要數(shù)據(jù)。

1 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

如圖1所示, 3塊導(dǎo)流板分別設(shè)置在Savonius葉片周圍, 垂直于葉輪中心, 導(dǎo)流板之間間隔120°。

圖1 新型垂直軸式葉輪示意圖

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型簡(jiǎn)化

由于采用直葉片, 可以忽略葉片沿徑向變形的影響, 從而選用展長(zhǎng)為500 mm的Savonius葉片和板長(zhǎng)為500 mm的導(dǎo)流板進(jìn)行2D數(shù)值仿真分析。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中, 為降低計(jì)算量而又不影響計(jì)算精度, 去掉對(duì)數(shù)值計(jì)算不必要的結(jié)構(gòu)特征, 僅保留葉片部分。

圖2為垂直軸海流發(fā)電裝置在來(lái)流沖擊下以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情形, 葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2D簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

表1 新型垂直軸式葉輪裝置簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

圖2 2D計(jì)算簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計(jì)算域選取及邊界條件設(shè)置

如圖3所示, 計(jì)算域由外部靜止域(station domain)和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域(rotating domain)組成, 葉片包裹于旋轉(zhuǎn)域內(nèi)。為了讓來(lái)流發(fā)展充分并避免由于計(jì)算域過(guò)小而對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差, 計(jì)算域采用半圓與矩形結(jié)合的方式, 葉輪裝置上游的半圓半徑為3倍葉輪直徑, 葉輪裝置下游長(zhǎng)度和寬度均為6倍葉輪直徑。

2.3兩組患者不良反應(yīng)發(fā)生情況比較 觀察組出現(xiàn)失眠1例,心動(dòng)過(guò)速1例,嗜睡2例,不良反應(yīng)發(fā)生率為10.81%;對(duì)照組出現(xiàn)低血壓2例,心動(dòng)過(guò)速1例,便秘1例,嗜睡1例,體質(zhì)量增加3例,血糖升高3例,不良反應(yīng)發(fā)生率為29.73%;兩組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(X2=4.097,P=0.043<0.05)。

圖3 計(jì)算域和邊界條件設(shè)置

Fig. 3 Computation domain and boundary condition

計(jì)算區(qū)域的邊界: 靜止域與旋轉(zhuǎn)域的交界設(shè)為滑移交界面邊界(interface), 半圓入口邊界設(shè)為速度入口邊界(velocity_inlet), 出口邊界設(shè)為自由流出口(outflow), 上下靜止域邊界設(shè)為滑移壁面邊界(wall), 葉片邊界均設(shè)為滑移壁面, 并在旋轉(zhuǎn)域設(shè)定旋轉(zhuǎn)角速度。

2.3 網(wǎng)格生成

本文利用GAMBIT軟件完成計(jì)算域網(wǎng)格劃分工作。由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有占有內(nèi)存少的優(yōu)點(diǎn), 且對(duì)邊界層計(jì)算非常有利, 所以對(duì)靜止域和旋轉(zhuǎn)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 并在葉片和導(dǎo)流板上進(jìn)行局部加密, 以提高計(jì)算精度。整體網(wǎng)格數(shù)量約為30 000。網(wǎng)格劃分如圖4和圖5所示。

圖4 靜止域網(wǎng)格劃分

圖5 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分

2.4 控制方程及湍流模型

流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律, 按照定律可以提出相關(guān)的質(zhì)量守恒方程與動(dòng)量方程(-方程)

計(jì)算基于Standard模型, 與和對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方程為

Standard-模型適用于涉及快速應(yīng)變、中等渦、局部轉(zhuǎn)換的復(fù)雜剪切流動(dòng), 在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)計(jì)算情況下有較高的可信度和精度。

2.5 求解設(shè)置

本文用數(shù)值方法直接求解2D不可壓粘性流體的RANS方程, 微分方程的離散采用基于單元中心的有限體積法, 非平衡壁面函數(shù)的近壁面處理和2D穩(wěn)態(tài)分離解法的隱式解法。在控制方程的離散格式選擇上, 壓力插值采用便于計(jì)算的Standard格式, 壓力速度耦合使用計(jì)算量較小易于收斂的SIMPLE算法。為了提高計(jì)算精度, 減小計(jì)算結(jié)果的偏差, 動(dòng)量方程、紊動(dòng)能方程和耗散率方程均采用2階迎風(fēng)格式。

每種工況下計(jì)算5個(gè)旋轉(zhuǎn)周期, 每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期設(shè)定180個(gè)時(shí)間步, 即每時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)動(dòng)2 o。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代100次。流場(chǎng)的連續(xù)性、和方向的分量紊動(dòng)能方程及耗散率的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1×10-5。

2.6 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值方法的有效性, 對(duì)常規(guī)兩葉片Savonius風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算, 如圖6所示, 計(jì)算不同旋轉(zhuǎn)速度時(shí)所受平均力矩, 通過(guò)對(duì)比本文仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算方法的有效性。葉輪詳細(xì)幾何參數(shù)及來(lái)流速度見文獻(xiàn)[7]。

圖6 兩葉片Savonius葉輪截面圖

將計(jì)算結(jié)果和Hayashi T等所做的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比[7], 結(jié)果如圖7所示。分析可知, 本文數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合, 尤其是當(dāng)時(shí)。仿真結(jié)果總體上略高于試驗(yàn)結(jié)果, 這可能是因?yàn)椴捎?D數(shù)值計(jì)算并未考慮壁面影響以及3D葉片葉尖的損失。

圖7 仿真結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)葉輪分別進(jìn)行了2D定常和非定常計(jì)算。為消除尺寸影響, 便于分析, 定義如下無(wú)量綱系數(shù)。

尖速比系數(shù)

力矩系數(shù)

功率系數(shù)

式中:為葉輪旋轉(zhuǎn)速度;為來(lái)流速度,=1 m/s;為水流密度,1000kg/mm2;為葉輪半徑,500mm;為葉輪特征迎風(fēng)面積, 定義2, 在2D計(jì)算時(shí)=1 m。

保持來(lái)流速度恒定, 對(duì)尖速比系數(shù)0.05, 0.1, 0.15, …, 1.5的30種情況進(jìn)行了計(jì)算。周期內(nèi)葉輪平均力矩系數(shù)隨的變化關(guān)系見圖8。當(dāng)=0.3時(shí), 平均力矩系數(shù)出現(xiàn)最大值; 隨著的增加, 平均力矩系數(shù)逐漸下降。與未增加導(dǎo)流板的Savonius葉片對(duì)比, 平均力矩系數(shù)有了較大提高。

為0.5, 0.7, 0.9和1.1這4種情況下單葉片的力矩系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)位置的變化關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出, 當(dāng)0.9時(shí),越大, 葉片力矩系數(shù)曲線越高; 當(dāng)0.9時(shí),越大, 葉片力矩系數(shù)曲線越小。隨著的增加, 力矩系數(shù)先增加, 在30°附近出現(xiàn)最大值, 隨后力矩系數(shù)劇烈下降, 在=140°附近出現(xiàn)最小值。葉片力矩系數(shù)在=[90°, 140°]的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)小幅波動(dòng)。在>140°的范圍內(nèi), 不同對(duì)應(yīng)的力矩系數(shù)曲線差別不大, 呈上升趨勢(shì)。