基于CFD的潮流能水輪機數值模擬研究

張強等

摘要：為了開發(fā)一種水力性能良好的水平軸潮流能水輪機，以Fluent軟件為平臺，利用CFD技術，對潮流能水輪機進行三維湍流數值模擬：利用三種具有不同特征翼型形成兩種類型共8種不同葉片，對這8種葉片形成的水輪機流場進行三維數值模擬計算。模擬結果發(fā)現(xiàn)，水輪機葉片葉尖采用對稱翼型及葉根采用彎度較大翼型能夠獲得較好的水力性能。最優(yōu)方案水輪機內部流場流態(tài)良好，符合設計要求。

關鍵詞：潮流能；潮流能水輪機；數值模擬；葉片設計；翼型

中圖分類號：TM619 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2015）03-0518-04

Abstract：In order to develop a horizontal axis tidal current energy turbine with high hydraulic performance，three-dimensional numerical simulation was applied to simulate the tidal current energy turbines using CFD technology with FLUENT as the platform.Three different airfoil shapes were used to form a total of eight blades of two types，and the flow fields of the turbine produced by the eight blades were simulated.The results showed that the turbine with the symmetrical airfoil in the tip of blade and large-camber airfoil in the root of blade has better hydraulic performance.The flow pattern of the optimal turbine is good and can meet the design requirements.

Key words：tidal current energy；tidal current energy turbine；numerical simulation；blade design；airfoil

在已知的各種形式海洋能中，潮流能的能流密度最大。相對于風能、太陽能等能源，它的能量更加集中。同時潮流能的能量轉換裝置具有較小幾何尺度的優(yōu)勢，尺寸數10 m左右的機組其裝機容量可達百kW級[1]。幾何尺度的優(yōu)勢使它施工更加靈活方便，同時對海洋生態(tài)環(huán)境的影響也較小。基于這樣的原因，潮流能正越來越受到國內外人們的重視。我國海洋潮流能儲量豐富，潮流能理論平均功率為13 940 MW[2]，其開發(fā)利用潛力巨大。

潮流能水輪機是潮流能能量轉換的重要裝置，對開發(fā)及利用潮流能十分重要。其動力原理、機械構造以及能量特性是目前潮流能開發(fā)的研究重點和難點。其中水平軸潮流能水輪機是獲取潮流能的常用裝置。

國外的潮流發(fā)電研究開始于20世紀70年代中期，2004年英國的MCT公司成功制造出第一臺并網型，額定容量300 kW的的機組。從總體來看，與國外相比我國潮流能發(fā)電技術還比較落后。我國潮流能開發(fā)利用項目容量都在百kW內，且大部分為國家資助項目，國內企業(yè)或公司還沒有參與，各項技術的提升空間較大。

本文擬通過建立不同形式葉片和水輪機的三維模型，利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術進行基于不可壓縮連續(xù)方程、雷諾時均N-S方程和S-A湍流模型的三維數值模擬計算，以期得到一種效率及出力均較高的潮流能水輪機。

1 葉片及水輪機模型

1.1 葉片型式及翼型選擇

為了尋找到一種較優(yōu)的葉片，在對已有不同特征翼型水動力性能分析比較[3-5]的基礎上，本文利用三種不同翼型形成的葉片進行分析，分別是NACA 63-212、NACA 6409和NACA 4412[6]（圖1）。其中，NACA 63-212是一種對稱翼型，其相對彎度很小，厚度適中；NACA 6409相對彎度較大，但是相對厚度較??；NACA 4412的相對彎度和相對厚度均介于NACA 63-212和NACA 6409之間。

根據現(xiàn)有翼型理論，彎度越大的翼型，其升力系數越大，翼型的升阻比也越大，則整體裝置的能量轉換性能也越好，但是其結構強度及過流能力則相對減弱。因而最終的葉片采用何種翼型，還需要通過進一步的數值模擬結果進行分析研究。

本次葉片設計，選擇了兩種不同類型的葉片進行分析比對（圖2）：第一類與風力機葉片類似，葉尖較窄而葉根較寬；第二類與普通貫流式水輪機葉片類似，葉尖較寬而葉根較窄。

1.2 水輪機三維模型構建

水輪機葉片的葉尖及葉根扭角相對于葉輪旋轉平面分別為5°和30°。轉輪直徑為3 m，輪轂直徑0.9 m，輪轂比為0.3?？紤]到流動的充分發(fā)展，計算區(qū)域沿流動方向取20 m，垂直流動方向取5 m。最終，建立的葉片及轉輪的模型見圖3。

2 數值計算原理和方法

2.1 計算方法

CFD是在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、

能量守恒方程）控制下對流動進行的數值模擬。本文的研究介質是海水，其流動為不可壓縮黏性湍流，在潮流能水輪機的應用中熱交換很小且可以忽略不計，因此不考慮能量守恒方程，而控制方程采用連續(xù)性方程及三維定常N-S方程[7]進行求解計算。

Spalart-Allmaras模型作為一種單方程渦粘系數模型，在湍流對流場影響不大，需要有較好的邊界層計算效果同時網格精度要求不高時可以選用[9]。多次計算表明，采用該模型收斂速度快，計算結果與試驗接近，因此本文選用了Spalart-Allmaras模型，并以壁面函數法修正。endprint

為保證計算精度，選擇二階迎風格式進行離散，隱式求解，各松弛因子均采用默認值。離散后方程組不能直接求解，需通過修正方法進行調整，本文采用在SIMPLE算法基礎上改進的SIMPLEC算法?？刂品匠痰碾x散選用Standard 方式，壓力項采用二階格式。動靜相干模型采用簡單明了的多跟蹤觀察參考量系模型（MRF）[10]。

2.2 網格劃分

考慮到模型結構的不規(guī)則性和流動的復雜性，采用非結構網格對計算區(qū)域進行劃分：

對于葉輪段，由于直接劃分體網格比較困難且需要對葉片進行細致的流態(tài)分析，所以先對面進行網格劃分，即劃分葉片壓力與吸力面，單元類型選用Tri，劃分方式選擇Pave；然后進行體網格的劃分。由于轉輪葉片區(qū)域結構較復雜，故對其所在區(qū)域進行局部加密技術。葉輪段網格節(jié)點數為117 866，單元數為594 253。

對于流道段，則直接進行體網格的劃分，單元類型選用Tet/Hybrid，劃分方式選擇TGrid（混合網格）。流道段網格節(jié)點數為79 689，單元數為433 446。

忽略機殼與輪緣間的間隙流動，動靜部分之間采用GGI拼接網格技術。葉輪段及流道段的網格質量EquiAngle Skew均控制在0.85以下，滿足計算要求。

計算區(qū)域的整體網格劃分見圖4。

2.3 邊界條件

由于研究介質海水為不可壓縮流體，入口斷面處速度（即無窮遠來流速度）已知，且進、出口斷面壓力無變化，故選取進口邊界條件為速度進口（velocity-inlet）；由于出流邊界上的壓力和速度均未知，選擇自由出流（outflow）作為出口邊界條件；速度進口流速大小為2 m/s，方向為+X軸；轉輪區(qū)流體隨轉輪旋轉，轉速為50 r/min；流道區(qū)內流體為靜止，不同區(qū)域邊界設置交界面（interface）。

此外，將輪轂，葉片等部件都設成旋轉狀態(tài)。

3 計算結果及分析

利用CFD軟件對兩類共8種葉片形成的水輪機三維流場進行數值模擬計算，水輪機出力及效率見表2和3。

由表2、表3可以看出，第一類葉片型式其出力均低于同翼型組成的第二類葉片型式，但是效率均高于第二類葉片型式；第二類葉片型式最高出力能夠達到19 kW，但是其對應的效率僅為37.25%。分析其原因，主要在于兩類葉片型式的模型差異。對于水輪機來說，葉片是影響其能量轉換性能的關鍵，而一個葉片的能量轉換性能又主要是由葉尖部分決定的。第一類葉片型式采用較窄的葉尖翼型，因而其水力損失會相對較小，但是相對應的做功能力就會較差，因而在外特性上表現(xiàn)出來的就是出力相對較低而效率相對較高。第二類葉片型式采用較寬翼型，其水力損失會相對較大，做功能力會較好，在外特性上表現(xiàn)出較高的出力和較低的效率[11-12]。

兩類葉片型式計算結果內在規(guī)律相似，對第一類葉片型式計算結果進行分析，第二類葉片型式分析同理：Ⅰ-1、Ⅰ-2兩種葉片的葉尖均采用NACA 63-212翼型，葉根則分別采用NACA 6409和NACA 4412翼型，Ⅰ-1的效率稍大于Ⅰ-2，而出力明顯大于Ⅰ-2。這是由于彎度較大的NACA 6409翼型具有更大的升力系數和升阻比，因而能夠獲得更大的出力[13]。由于葉尖的翼型相同，兩個葉片水力損失相差不大，能量轉換性能相當，即效率相近。Ⅰ-3和Ⅰ-4葉片的情況與此類似。

Ⅰ-1和Ⅰ-3兩種葉片采用相同的翼型構成，只是分別在葉尖和葉根的位置進行調換。兩種葉片出力效果相近，Ⅰ-3略大于Ⅰ-1，但是Ⅰ-1效率明顯大于Ⅰ-3。原因在于：葉片采用的翼型相同，因而其出力相差不大；Ⅰ-1葉片的葉尖為對稱翼型NACA 63-212，而Ⅰ-3葉片葉尖為彎度較大的翼型NACA 6409，葉尖是水輪機能量轉換性能的關鍵，Ⅰ-1葉片葉尖翼型的水力損失明顯大于Ⅰ-3葉片葉尖翼型，因而Ⅰ-1葉片的效率高于Ⅰ-3號葉片。對比Ⅰ-2號、Ⅰ-4號葉片可以得出同樣結論。

綜合分析兩種葉片型式計算結果，Ⅰ-1號葉片和Ⅱ-1號葉片的水力性能分別在兩類葉片中相對突出，兩種葉片的葉尖均采用NACA 63-212的對稱翼型，而葉根則采用彎度較大的NACA 6409翼型。兩種葉片出力僅相差1.2kW，但是效率相差接近3%，因而從外特性來看Ⅰ-1號葉片為8種葉片中的較優(yōu)葉片。

下面對Ⅰ-1號和Ⅱ-1號葉片的表面靜壓分布情況進行比較分析，兩個葉片壓力面及吸力面壓力分布如圖5所示。

兩種葉片的壓力云圖整體分布規(guī)律較為相似，壓力梯度變化較均勻，壓力面壓強明顯大于吸力面壓強，因而能夠表現(xiàn)出良好的水力性能。壓力面壓強分布為：從進水處呈現(xiàn)最大靜壓，然后向出水處過渡的過程中先逐漸減小，然后又繼續(xù)增大直到出水處；吸力面壓強分布則是從進水處的最小靜壓一直增大直到出水處。

比較兩種葉片，Ⅱ-1號葉片壓力面靜壓分布較為均勻，沒有明顯的分層現(xiàn)象；Ⅰ-1號葉片壓力面靜壓分布則有較為明顯的分層現(xiàn)象。兩種葉片吸力面均存在明顯的低壓區(qū)，但是Ⅱ-1號葉片的低壓區(qū)較為分散，而Ⅰ-1號葉片低壓區(qū)則較為集中，因而從氣蝕性能來看1號葉片要優(yōu)于Ⅱ-1號葉片，但總體來說影響不大[14-15]。Ⅱ-1號葉片壓力面與吸力面的壓差要高于Ⅰ-1號葉片，因而在外特性上表現(xiàn)出更高的出力。

通過上述外特性和內特性的比較分析，最終選擇Ⅰ-1號葉片為較優(yōu)葉片。

圖6為最終選用水輪機流線圖。從圖中可以看出整個流道內流線上下對稱，頂部和底部流線順直，無不良流態(tài)。在水輪機轉輪體后流線呈繞流道中心的螺旋線狀，流態(tài)較為順暢，無明顯的漩渦及渦帶產生。

4 結語

本文利用兩種類型、三種翼型形成8種不同葉片，通過CFD軟件對8種葉片的水輪機分別進行三維數值模擬計算，分析了這些水輪機的效率、出力和轉輪葉片表面靜壓分布情況，得到一種綜合表現(xiàn)較優(yōu)的潮流能水輪機。水輪機流道內部水流流態(tài)良好，流線平滑，無回流、局部漩渦等不良流態(tài)。模擬結果表明，葉尖采用對稱的NACA 63-212翼型及葉根采用彎度較大的NACA 6409翼型形成的兩種類型葉片均在同類型葉片中水力性能表現(xiàn)最好。[HJ1.5mm]endprint

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