圓柱形發(fā)電裝置和立管式海洋平臺(tái)位置的優(yōu)化

仲 夏 包勝平

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

海洋能是一種清潔的可再生能源，取之不盡用之不竭，資料表明，全球海洋能約500億kW.采用新型圓柱形浪潮流發(fā)電裝置能有效地將海洋能轉(zhuǎn)換為電能，并將電能提供給立管式海洋平臺(tái)，因此浪潮流發(fā)電裝置與立管式海洋平臺(tái)構(gòu)成取能－換能－用能的統(tǒng)一系統(tǒng).海洋平臺(tái)下方共4根立管，呈正方形分布；海洋平臺(tái)周邊有4個(gè)圓柱形浪潮流發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置不僅能為海洋平臺(tái)提供電能，還能減小水流對(duì)海洋平臺(tái)立管的沖擊作用.

現(xiàn)在很多學(xué)者在研究單圓柱方面主要開展不同雷諾數(shù)的圓柱繞流情況，以及圓柱的渦激振動(dòng)；但是對(duì)于圓柱繞流不僅有單圓柱情況，也有相同大小圓柱的相互干擾問題.本文圍繞實(shí)際問題——立管式海洋平臺(tái)垂向螺旋槳式浪潮流發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)位置優(yōu)化的簡化模型展開研究，優(yōu)化的目的主要是減少水流對(duì)海洋平臺(tái)立管的沖擊作用，而對(duì)圓柱形發(fā)電裝置的受力不做研究，因?yàn)閳A柱形發(fā)電裝置即使不和立管作為一系統(tǒng)布置，也會(huì)受到同樣的水流作用力.

1 新型圓柱形浪潮發(fā)電裝置簡介

本裝置為圓柱形，見圖1.當(dāng)所在水域出現(xiàn)浪潮流時(shí)，圓柱空腔壁內(nèi)水位上升，推動(dòng)對(duì)稱槳，使其產(chǎn)生周向誘導(dǎo)速度，從而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將水的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成對(duì)稱槳的動(dòng)能，進(jìn)而帶動(dòng)鏈條式能量轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的一條鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，最終使其相應(yīng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電；當(dāng)浪潮流退去，圓柱空腔壁水位下降，推動(dòng)對(duì)稱槳，使其產(chǎn)生反向的周向誘導(dǎo)速度，從而進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成對(duì)稱槳的動(dòng)能，進(jìn)而帶動(dòng)鏈條式能量轉(zhuǎn)換器另一鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，最終使另一發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電.

2 單個(gè)立管的圓柱繞流計(jì)算

首先對(duì)立管的簡化模型——單圓柱進(jìn)行繞流的二維流場模擬，取立管直徑0.01m，采用FLUENT軟件計(jì)算Re＝200（v＝0.020 08m／s）和Re＝10 000（v＝1m／s）時(shí)的單圓柱繞流，得出升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及斯托羅哈數(shù)的變化規(guī)律，并將結(jié)果與已有文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比，證明該計(jì)算方法的可靠性.

圖1 新型圓柱形浪潮流發(fā)電裝置側(cè)視圖

本文主要求解雷諾數(shù)Re＝1 0 0和1 0 0 0 0時(shí)的圓柱繞流情況，Re＝100時(shí)圓柱繞流為層流繞流，Re＝10 000時(shí)，雖然圓柱后部為湍流流動(dòng)，但是圓柱表面仍為層流流動(dòng)，故在分析靜止圓柱本身受力時(shí)可以視為層流流動(dòng).

由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程可以得到描述二維不可壓縮粘性流體的基本方程：納維斯－斯托克斯方程（N－S方程）［1］

采用有限體積法對(duì)上述偏微分方程進(jìn)行離散，然后用SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，計(jì)算中時(shí)間推進(jìn)采用一階隱式格式，空間離散采用二階迎風(fēng)格式.觀察結(jié)果所用參數(shù)采用如下.

式中：Sr為斯托羅哈數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)的形狀斷面；f為旋渦脫落頻率；D為結(jié)構(gòu)的特征尺寸（圓柱取直徑D）；U為來流速度.

式中：Cl，Cd分別為升力系數(shù)、阻力系數(shù)；Fl，F(xiàn)d分別為單位長度結(jié)構(gòu)（圓柱）上的升力和阻力.

2.1 計(jì)算Re＝200的圓柱繞流

考慮到計(jì)算精度，取D＝0.01m的圓柱作為計(jì)算模型.流動(dòng)介質(zhì)為水，密度ρ＝998.2kg／m3，粘性系數(shù)μ＝0.001 003kg／（m·s），來流速度U∞＝0.020 08m／s，其雷諾數(shù)Re為200.

將流場計(jì)算域定為：單圓柱繞流選取流場大小為進(jìn)口距圓柱中心0.125m，出口距圓柱中心0.375m，上下邊界距圓柱中心各為0.125m，D＝0.01m.

采用Meshing軟件劃分流場網(wǎng)格，采用三角形網(wǎng)格，數(shù)值計(jì)算的邊界條件：入口為速度入口，出口是outflow出口，頂部和底部邊界為對(duì)稱面邊界條件，圓柱及阻隔板表面均為壁面無滑移條件，見圖2.

圖2 圓柱繞流流場的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格畫好后進(jìn)入FLUENT計(jì)算，transient求解，采用laminar模式計(jì)算，時(shí)間步長設(shè)定為0.05s.所得結(jié)果見圖3～4.

圖3 Re＝200時(shí)的升力系數(shù)曲線

將計(jì)算所得結(jié)果和參考論文結(jié)果列于表1進(jìn)行比較.

圖4 Re＝200時(shí)的阻力系數(shù)曲線

表1 量綱－的量參數(shù)對(duì)比（Re＝200）

通過對(duì)比可得，F(xiàn)LUENT在Re＝200的計(jì)算情況下是比較可靠的.

2.2 計(jì)算Re＝10 000的圓柱繞流（v＝1m／s）

網(wǎng)格畫好后進(jìn)入FLUENT計(jì)算，transient求解，采用laminar模式計(jì)算（由于此雷諾數(shù)時(shí)圓柱處仍為層流泄渦），時(shí)間步長設(shè)定為0.005s，其他設(shè)置均同Re＝200的情況.

將計(jì)算所得結(jié)果和參考論文結(jié)果列于表2進(jìn)行比較.

表2 量綱－的量參數(shù)對(duì)比（Re＝10 000）

通過2個(gè)雷諾數(shù)的計(jì)算，充分證明FLUENT計(jì)算圓柱繞流相關(guān)無因次參數(shù)的可靠性，圓柱上、下表面脫落的旋渦交錯(cuò)出現(xiàn)，然后進(jìn)入尾跡，形成著名的“卡門渦街”.基于此，將FLUENT用于雷諾數(shù)為10 000時(shí)新型圓柱形浪潮發(fā)電裝置和立管式海洋平臺(tái)系統(tǒng)相對(duì)位置的優(yōu)化.在一定程度上使立管受力最小，從而起到保護(hù)立管的作用，延長立管的使用時(shí)間.

3 系統(tǒng)位置優(yōu)化

一般發(fā)電裝置為多個(gè)，但取4個(gè)作為研究：（1）可以比較好的模擬實(shí)際；（2）將裝置和立管式海洋平臺(tái)呈中心對(duì)稱布置，不用考慮浪潮的多向性和多變性，便于運(yùn)算.

在此基礎(chǔ)上有2種位置組合，如圖5，圖6.

圖5 位置組合一

圖6 位置組合二

如圖5和圖6所示，利用流場分析軟件ANSYS對(duì)這2種系統(tǒng)組合中的立管進(jìn)行受力分析，并依據(jù)所受阻力大小為位置優(yōu)化依據(jù)，同時(shí)和沒有發(fā)電裝置的情況進(jìn)行比較，計(jì)算技術(shù)路線為：ANSYS建?！W(wǎng)格劃分—Fluent流場分析［8］.

3.1 ANSYS建模及網(wǎng)格劃分

一般海洋平臺(tái)立管直徑為0.25m，相鄰立管間的距離為10m，發(fā)電裝置中心到4個(gè)立管中心的水平距離為13m，將現(xiàn)實(shí)條件簡化進(jìn)行模型的計(jì)算，參考文獻(xiàn)［2］海洋平臺(tái)立管模型直徑為0.01m，相鄰立管間的距離為0.4m，發(fā)電裝置中心到四個(gè)立管中心的水平距離為0.52m，速度取為1m／s，雷諾數(shù)即為10 000.將這2種系統(tǒng)組合在ANSYS分別進(jìn)行建模，考察在圓柱形發(fā)電裝置的影響下立管所受阻力系數(shù)，并和無發(fā)電裝置時(shí)的立管受力進(jìn)行對(duì)比分析.

3.2 FLUENT流場及受力

［5］選擇來流速度1m／s，進(jìn)行立管在流場中的阻力系數(shù)的分析.

圖7為無發(fā)電裝置時(shí)立管阻力系數(shù)曲線圖，此時(shí)4個(gè)立管阻力系數(shù)值分別為：0.31，0.36，0.31，0.35，總阻力系數(shù)為1.33.

圖7 無發(fā)電裝置時(shí)立管阻力系數(shù)曲線圖

3.3 立管受力分析

現(xiàn)將3種情況的所受阻力系數(shù)列于表3進(jìn)行對(duì)比（左上角為第1立管，右上角為第2立管，左下角為第3立管，右下角為第4立管.其他2種位置也按照此位置排列），見表3.

表3 三種情況的所受阻力系數(shù)對(duì)比

由表3可見：位置組合一立管所受阻力，小于無發(fā)電裝置時(shí)立管所受的阻力，優(yōu)化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，同時(shí)在最大值比較上也比無發(fā)電裝置時(shí)較小（0.35＜0.36）；位置組合二立管所受阻力大于位置組合一立管所受阻力，相對(duì)無圓柱形發(fā)電裝置時(shí)立管所受阻力稍小，優(yōu)化率η＝｜1.31－1.33｜／1.33＝1.5%，所以這種情況雖然也有優(yōu)化的效果，但是不明顯.

4 結(jié)論與展望

1）通過采用FLUENT軟件計(jì)算Re＝200和Re＝10 000時(shí)的單圓柱繞流，得出升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及斯托羅哈數(shù)的變化規(guī)律，將所得結(jié)果與已有文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比，證明了該計(jì)算方法在兩者雷諾數(shù)情況下的可靠性.

2）對(duì)發(fā)電裝置和海洋平臺(tái)組成的系統(tǒng)位置進(jìn)行分析，比較3種情況的阻力系數(shù)，得出：位置組合一為系統(tǒng)位置優(yōu)選解，均小于無發(fā)電裝置和位置組合二的立管所受阻力，優(yōu)化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，能夠在一定程度上起到減小立管所受阻力，有效減少水流對(duì)立管的沖擊作用，保護(hù)立管，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義.

3）綜合3種情況，可以發(fā)現(xiàn)有圓柱形發(fā)電裝置擋住立管時(shí)，立管的受力在不同程度上減小了，如果能夠再將圓柱形發(fā)電裝置在位置上進(jìn)行合理的優(yōu)化，最終可求得一個(gè)使立管的所受阻力在最大程度上減小的位置，得出位置最優(yōu)解.

通過分析雖然得出了系統(tǒng)布置的優(yōu)選解——位置組合一，但是這只是在角度上的優(yōu)化，接下來還應(yīng)該基于此在距離方面進(jìn)行優(yōu)化，最終確定優(yōu)選距離，使立管所受阻力最小，從而最大可能地保護(hù)立管.

參考文獻(xiàn)

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