直葉H型潮流水輪機(jī)三維數(shù)值模擬

付士鳳,鄭 源,梁曉玲,闞 闞,陳會向,楊春霞

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)文天學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

直葉H型潮流水輪機(jī)三維數(shù)值模擬

付士鳳1,鄭 源1,梁曉玲2,闞 闞1,陳會向1,楊春霞1

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)文天學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

為了探究直葉H型潮流水輪機(jī)水動力性能的影響因素,在理論分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用大型建模軟件UG建立了直葉H型潮流水輪機(jī)三維模型,基于滑移網(wǎng)格技術(shù)采用Fluent軟件對水輪機(jī)模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬,在保持直葉H型潮流水輪機(jī)葉片翼型一定、水輪機(jī)密實度相同的條件下,通過改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)以及來流速度,分析了潮流水輪機(jī)水動力性能。結(jié)果表明,葉片數(shù)對直葉H型潮流水輪機(jī)水動力性能影響很大,葉片數(shù)越多,輸出扭矩值越小,當(dāng)葉片數(shù)為3、葉尖速比為1.63時,水輪機(jī)最高獲能系數(shù)為31.21%。

潮流水輪機(jī);直葉;翼型;水動力性能;數(shù)值模擬

隨著煤炭、石油等化石能源不斷消耗,使用成本逐漸提高,能源供需矛盾越來越突出,作為一種可再生清潔能源,潮流能的開發(fā)與研究備受關(guān)注[1]。我國潮流能資源十分豐富,蘊(yùn)含總量達(dá)1.4億kW,在潮流能開發(fā)及利用方面具有得天獨厚的優(yōu)越條件[2]。在能源問題日顯突出的今天,加大潮流能資源的開發(fā)力度是解決能源問題進(jìn)程中必不可少的一環(huán)。

近些年來,垂直軸潮流水輪機(jī)發(fā)展迅速,加拿大Blue Energy公司研制了功率為100 kW垂直軸樣機(jī)[3]；意大利PDA公司漂浮式垂直軸直葉片變槳水輪機(jī)于2002年在墨西哥海峽運行[4];美國GCK Technology公司開發(fā)的垂直軸潮流水輪機(jī)(GHT)采用旋轉(zhuǎn)一定角度的螺旋形葉片,螺旋形葉片的垂直軸潮流水輪機(jī)相對于直葉片的垂直軸潮流水輪機(jī)具有運行平穩(wěn)、容易啟動的優(yōu)點[5];韓國引進(jìn)美國技術(shù)建造了潮流能實驗電站,在珍島郡鳴梁海峽大橋下游安裝了兩臺500 kW垂直軸潮流水輪機(jī),并投入正式運營[6];中國海洋大學(xué)研制了一款漂浮式垂直軸潮流水輪機(jī)發(fā)電裝置[7],采用柔性葉片,類似于帆翼,其突出特點是可以充分有效地利用升阻力效應(yīng),該垂直軸潮流水輪機(jī)發(fā)電裝置在青島膠南齋堂島海域成功進(jìn)行了測試,取得良好的效果；哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計研制的“萬向Ⅰ”號漂浮式潮流水輪機(jī),輸出功率可達(dá)70 kW[8],并且在浙江省岱山縣又建造了“萬向Ⅱ”號40 kW座海底式潮流水輪機(jī)[9]。在潮流水輪機(jī)研究方面,張楠[10]對漂浮式潮流水輪機(jī)的葉輪及錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出了一種極限海況下安全可靠的錨泊系統(tǒng);張亮等[11]研究了導(dǎo)流罩與轉(zhuǎn)輪之間流體動力學(xué)的干擾規(guī)律,認(rèn)為導(dǎo)流罩可穩(wěn)定下游流場;羅慶杰等[12]采用UDF控制滑移網(wǎng)格方法,可對擺線式直葉H型潮流水輪機(jī)性能進(jìn)行預(yù)報；付士鳳等[13]的研究表明,直葉H型潮流水輪機(jī)的優(yōu)點在于葉片結(jié)構(gòu)簡單,不需要對流裝置,維護(hù)成本低。目前有關(guān)潮流能水力機(jī)械的研究多數(shù)都集中于單一因素的分析,對影響直葉H型潮流水輪機(jī)水動力性能的綜合因素研究較少?；诖?本文結(jié)合理論分析與三維數(shù)值模擬,研究在不同葉片數(shù)和來流速度條件下,直葉H型潮流水輪機(jī)水力特性及利用效率,可為垂直軸潮流水輪機(jī)研究設(shè)計提供參考。

1 物理模型

1.1 幾何建模

在保持水輪機(jī)密實度一定的條件下,利用大型三維建模軟件UG對直葉H型潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行三維造型,如圖1所示。

圖1 直葉H型潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三維造型

對于直葉H型潮流水輪機(jī),密實度定義為

(1)

式中:z為葉片數(shù);c為弦長;d為轉(zhuǎn)輪直徑。由文獻(xiàn)[14]可知水輪機(jī)密實度取值在0.15～0.5之間,取值過小、過大都不利于潮流能的有效利用,本文取為0.35。

1.2 受力分析

直葉H型潮流水輪機(jī)直葉片斷面受力分析如圖2所示(圖中L為升力;D為阻力;v為來流速度;u為葉片旋轉(zhuǎn)沿切線速度;w為相對流速;α為攻角;θ為葉片的相位角,用來定義葉片所處的位置)。直葉H型潮流水輪機(jī)主要利用了水流對葉片的升力來驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。

圖2 直葉H型潮流水輪機(jī)直葉片斷面受力分析示意圖

1.3 水輪機(jī)模型參數(shù)

直葉H型潮流水輪機(jī)模型參數(shù)如下:水輪機(jī)外徑D1=3.5 m,水輪機(jī)輪轂直徑D2=0.5 m,葉片高度h=4 m,葉片安裝角φ=-7°，葉片數(shù)z=3、4、5、6,主翼型為NACA4415,支撐架翼型為NACA0015,主翼型的弦長C1=1.28 m、0.96 m、0.77 m、0.64 m。

2 三維數(shù)值模擬計算

2.1CFD計算方法

直葉H型潮流水輪機(jī)運行時,外部流動的水為不可壓縮流體,轉(zhuǎn)輪葉片表面主要受到重力、水壓力和離心力的作用,應(yīng)用Fluent軟件,采用雷諾時均Navier-Stokes方程[15]和Spalart-Allmaras湍流模型[16]對垂直軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)域流場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程分別為

(2)

(3)

式中:u為流體速度矢量;F為質(zhì)量力;p為壓強(qiáng);ρ為流體密度;μ為湍流黏度。計算采用二階迎風(fēng)格式,非定常隱式求解,時間步長為0.01 s,利用SIMPLEC算法實現(xiàn)壓力和速度的耦合。

2.2 邊界條件

進(jìn)水流道入口處的邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口;水輪機(jī)所處的圓柱體表面定義為滑移面,在假定壓強(qiáng)已經(jīng)恢復(fù)到來流靜壓的條件下,下游出水流道斷面處邊界條件設(shè)置為平均靜壓出口;對于不可壓縮流體,轉(zhuǎn)輪、支架葉片及流道表面的邊界條件設(shè)置為無滑移絕熱固壁。

2.3 計算域網(wǎng)格劃分

實際上,直葉H型潮流水輪機(jī)運行在海洋中,所處區(qū)域廣闊,本文根據(jù)水輪機(jī)模型的基本參數(shù)建立一個長方形區(qū)域為直葉H型潮流水輪機(jī)周圍的流動區(qū)域,同時把它作為計算區(qū)域,取水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸中心點為坐標(biāo)原點,如圖3所示。

圖3 計算區(qū)域

為了確保模擬計算的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步將計算區(qū)域劃分成兩部分,以一緊密環(huán)繞直葉H型潮流水輪機(jī)的圓柱體區(qū)域為第一部分,對此區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化加密,并同時定義圓柱體表面為滑移邊界,除此之外的長方體流動區(qū)域為第二部分。運用ANSYS ICEM軟件對兩個區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,鑒于轉(zhuǎn)輪表面多為不規(guī)則的空間曲面,對其采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。定子與轉(zhuǎn)子之間的相互影響不可忽略,基于此,采用滑移網(wǎng)格模型[17]。3葉片轉(zhuǎn)輪計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

3 計算結(jié)果分析

3.1 周期內(nèi)流場壓力分布

圖5為來流速度v=1.5 m/s、轉(zhuǎn)速n=13.38 r/min工況下,不同葉片數(shù)水輪機(jī)在相同時刻的轉(zhuǎn)輪流場截面云圖,可以明顯看出轉(zhuǎn)輪在相同時刻時,隨著葉片數(shù)不同,周圍壓力發(fā)生很大的變化,靠近來流方向轉(zhuǎn)輪左側(cè)盤面區(qū)域流場壓力大于轉(zhuǎn)輪右側(cè)盤面區(qū)域,當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動,直葉片處在左側(cè)盤面區(qū)域特別是180°相位角附近時,葉片壓力面壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸力面壓力。

從圖5還可以看出,當(dāng)葉片在180°相位角附近區(qū)域時,葉片吸力面壓力很小,甚至小于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力,當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動到右側(cè)盤面區(qū)域時,壓力面壓力往往小于吸力面壓力;特別是葉片前緣尖端附近區(qū)域,來流由于受到葉片的阻礙作用,流速很小,導(dǎo)致葉片前緣小區(qū)域壓力很大,直葉片在左側(cè)盤面區(qū)域時,前緣壓力極大區(qū)域出現(xiàn)在葉片壓力面,不過當(dāng)直葉片在右側(cè)盤面區(qū)域時,壓力極大區(qū)域出現(xiàn)在葉片吸力面。

3.2 不同葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪動力扭矩特性

圖6為來流速度v=1.5 m/s、轉(zhuǎn)速n=13.38 r/min工況下,不同葉片數(shù)的轉(zhuǎn)輪單葉片扭矩曲線在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)的分布規(guī)律,直葉片在左側(cè)盤面靠近來流最前端180°相位角附近時出力最大,同時從圖6可以看出葉片數(shù)對垂直軸潮流水輪機(jī)的出力影響很大,隨著葉片數(shù)增多,單葉片周期內(nèi)輸出扭矩最大值減小,轉(zhuǎn)輪右側(cè)盤面區(qū)域葉片出力為負(fù)值,做負(fù)功阻礙水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。

圖5 流場壓力云圖(單位:kPa)

圖6 單葉片輸出扭矩

圖7為不同葉片數(shù)整體轉(zhuǎn)輪在一個周期內(nèi)的扭矩輸出曲線,呈規(guī)律性分布,3葉片的轉(zhuǎn)輪周期內(nèi)出現(xiàn)3次波峰3次波谷,4葉片的轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)4次波峰4次波谷,5葉片、6葉片的轉(zhuǎn)輪也有同樣的規(guī)律;在相同工況以及保持同樣轉(zhuǎn)輪密實度的條件下,直葉H型潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)越多,輸出扭矩最大值越小,但是輸出扭矩最小值卻沒有類似的規(guī)律,3葉片轉(zhuǎn)輪的輸出扭矩最小值最小,6葉片轉(zhuǎn)輪輸出扭矩最小值稍大,4葉片和5葉片轉(zhuǎn)輪輸出扭矩最小值相當(dāng),為最大。從圖7還可以看出,葉片數(shù)超過一定值,如大于4時,轉(zhuǎn)輪輸出扭矩值減小得很快,呈現(xiàn)驟降的趨勢,葉片數(shù)越多,轉(zhuǎn)輪輸出扭矩值周期性波動越小。

圖7 轉(zhuǎn)輪輸出扭矩

3.3 獲能系數(shù)計算

獲能系數(shù)計算公式為

(4)

式中:T為輸出扭矩；ω為旋轉(zhuǎn)角速度;v為來流速度;D1為水輪機(jī)外徑;h為水輪機(jī)葉片高度。由式(4)可計算得到不同葉片數(shù)下轉(zhuǎn)輪各種工況的獲能系數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)輪獲能系數(shù)曲線

從圖8可以看出，同一翼型相同工況,密實度相同條件下,轉(zhuǎn)輪的獲能系數(shù)隨著葉片數(shù)增多越來越低,當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為3,葉尖速比λ=1.63時,直葉H型潮流水輪機(jī)最高獲能系數(shù)為31.21%。獲能利用的高效區(qū)在葉尖速比λ為1～2之間,當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為3、4及5時,最佳葉尖速比為1.63,葉片數(shù)為6時,水輪機(jī)最佳葉尖速比為1.24;同時從圖8還可以看出,當(dāng)葉尖速比超過某一極限值,直葉H型潮流水輪機(jī)輸出扭矩為負(fù)值,阻礙轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)輪獲能系數(shù)為負(fù)值,此時不做正功,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不同,這一極限值也有所不同,3葉片轉(zhuǎn)輪為2.48,4葉片轉(zhuǎn)輪為2.37,5葉片轉(zhuǎn)輪為2.12,根據(jù)趨勢6葉片轉(zhuǎn)輪近似為1.87。

4 結(jié) 論

a. 直葉H型潮流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時,葉片所處相位角位置不同,過流流場有不同的壓力分布,靠近來流方向轉(zhuǎn)輪左側(cè)盤面區(qū)域流場壓力大于轉(zhuǎn)輪右側(cè)盤面區(qū)域,轉(zhuǎn)輪直葉片在180°相位角附近區(qū)域時,葉片壓力面壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸力面壓力。

b. 不同葉片數(shù)的直葉H型潮流水輪機(jī)在同一工況下運行時,輸出扭矩值呈周期性分布,葉片數(shù)越多,輸出扭矩值越小,輸出扭矩值周期性波動越小。

c. 直葉H型潮流水輪機(jī)獲能的高效區(qū)在葉尖速比為1～2之間,當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為3、葉尖速比為1.63時,直葉H型潮流水輪機(jī)最高獲能系數(shù)為31.21%。

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Three-dimensional numerical simulation of H-type straight-blade tidal turbine

FU Shifeng1,ZHENG Yuan1,LIANG Xiaoling2,KAN Kan1,CHEN Huixiang1,YANG Chunxia1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HohaiUniversityWentianCollege,Maanshan243031,China)

In order to explore the factors influencing the hydrodynamic performance of an H-type straight-blade tidal turbine, based on theoretical analysis, a three-dimensional model of an H-type straight-blade tidal turbine was established using large-scale modeling software UG, and three-dimensional numerical simulations were carried out using the Fluent software and the sliding mesh method. Under the conditions with the same airfoil type of H-type turbine blade and the same turbine solidity, the hydrodynamic performance of the tidal turbine was analyzed by changing the number of runner blades and inflow velocity. The results show that the number of blades has a significant effect on the hydrodynamic performance of the H-type straight-blade tidal turbine. The greater the number of blades, the smaller the output torque is. When the number of blades is three and the tip speed ratio is 1.63, the highest turbine power coefficient is 31.21%.

tidal turbine; straight blade; hydrofoil type; hydrodynamic performance; numerical simulation

國家自然科學(xué)基金(51339005;51579080);安徽省自然科學(xué)基金(1608085ME119)

付士鳳(1987—),男,博士研究生,主要從事流體機(jī)械研究。E-mail:fushifenglxl@163.com

鄭源(1964—),男,教授,博士,主要從事流體機(jī)械研究。E-mail:zhengy@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.006

TK730.2

：A

：1006-7647(2017)02-0033-04

2015-12-15 編輯：熊水斌)