雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置數(shù)值仿真分析

劉森明，何宏舟，李居躍，鄭松根

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置數(shù)值仿真分析

劉森明，何宏舟*，李居躍，鄭松根

（集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

將波浪能轉(zhuǎn)化為電能是海洋能研究的一個(gè)熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種利用波浪上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置。利用Fluent對(duì)雙螺旋轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、螺旋轉(zhuǎn)子與圓管間隙之間的距離進(jìn)行壓力及速度分布特性的數(shù)值仿真分析，計(jì)算出雙螺旋轉(zhuǎn)子在不同情況下的力矩，其結(jié)果表明：對(duì)于某固定的雙螺旋轉(zhuǎn)子，葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、輪緣間隙存在最佳值使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，為下一步定量?jī)?yōu)化裝置提供了理論依據(jù)。

波浪能；發(fā)電裝置；雙螺旋轉(zhuǎn)子；Fluent軟件；數(shù)值仿真

波浪能具有存在范圍廣、儲(chǔ)量大、能流密度大等特點(diǎn)[1]，波浪能發(fā)電可為邊遠(yuǎn)海域的海島建設(shè)、國(guó)防、海洋開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供電力。開(kāi)展海洋能波浪發(fā)電技術(shù)研究，對(duì)于開(kāi)發(fā)利用海洋、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)等具有重要的戰(zhàn)略意義[2-3]。

長(zhǎng)期以來(lái)，制約波浪能大規(guī)模發(fā)電利用的一個(gè)主要瓶頸是波浪能發(fā)電裝置的能源采集和轉(zhuǎn)換效率較低，發(fā)電成本較高。為了提高裝置對(duì)波浪能的采集效率，近年來(lái)人們做了很多研究：在理論計(jì)算方面，梁賢光等[4]發(fā)現(xiàn)三維波下點(diǎn)吸收裝置具有聚波效應(yīng)，具有較高波能采集效率；在裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，SALTER[5]設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)頭鴨裝置，能減少裝置向后興波，使得在相當(dāng)寬的頻譜內(nèi)，裝置效率都能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；實(shí)驗(yàn)方面，勾艷芬等[6]對(duì)陣列式振蕩浮子式裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)省去二次能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，能夠提高裝置效率。

本論文提出了一種雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置，該裝置的特點(diǎn)是海水從上方向下流還是沿著相反方向流入轉(zhuǎn)輪，波浪力沿著軸切向方向始終是順時(shí)針的，并利用Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到雙螺旋轉(zhuǎn)子的最佳值，其結(jié)果可為雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理介紹

雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由4部分組成：圓管——用來(lái)保護(hù)轉(zhuǎn)輪；內(nèi)、外轉(zhuǎn)輪——用來(lái)將波浪能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能；主軸——用來(lái)傳遞旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；上、下密封片——用來(lái)封閉水流通道。

雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能采集裝置的運(yùn)行原理為：當(dāng)海水上漲時(shí)，下密封片會(huì)在水流沖擊下遮住內(nèi)螺旋通道，因此水流只能從外螺旋通道流進(jìn)，從而推動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示；當(dāng)海水下降時(shí)，上密封片會(huì)在水流和自身重力作用下遮住外螺旋通道，因此水流只能從內(nèi)螺旋通道流出，從而推動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。如果在外部加載發(fā)電機(jī)等裝置，即可將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

圖1 雙螺旋轉(zhuǎn)子裝置示意圖

圖2 海水上漲時(shí)上下密封片狀態(tài)

圖3 海水下降時(shí)上下密封片狀態(tài)

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能充分利用波浪上漲和下落兩方面的能量，通過(guò)水流與螺旋轉(zhuǎn)子的相互作用，完成波浪能向旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。對(duì)潮水水位變化適應(yīng)性強(qiáng)，適合于海島、海上燈塔等處的發(fā)電。

2 數(shù)值仿真建模

模型初始尺寸參數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)際情況，水流進(jìn)入圓管涵道做無(wú)旋轉(zhuǎn)單向流動(dòng)，軸向速度分別取0.8 m/s，1.0 m/s，1.2 m/s，1.4 m/s，1.6 m/s。流體介質(zhì)為17℃水，密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.001 308 Pa·s。出口邊界設(shè)置為壓力出口，且設(shè)置出口中心為相對(duì)壓力參考點(diǎn)。

進(jìn)出口及圓管涵道區(qū)域采用相對(duì)靜止參考坐標(biāo)系，葉輪區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，相對(duì)角速度為逆時(shí)針5 rad/s。進(jìn)水流道區(qū)域和出水流道區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化Hex六面體網(wǎng)格，轉(zhuǎn)輪區(qū)域采用Hex六面體和Tet四面體混合的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

表1 模型初始尺寸

考慮到計(jì)算時(shí)間及成本，由于水流在螺旋轉(zhuǎn)子內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)是復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)，在建立波浪運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，要選擇合適的湍流模型，由于κ-ε模型具有較好的穩(wěn)定性和良好的預(yù)測(cè)能力，因此CFD軟件在工程上一般引入κ-ε方程來(lái)替代求解，其表達(dá)式為：

將Gambit中建好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中，設(shè)置初始化條件后進(jìn)行迭代運(yùn)算，求解出螺旋轉(zhuǎn)子在不同幾何參數(shù)下壓力、流場(chǎng)速度分布，如圖4和圖5所示，考察裝置幾何參數(shù)對(duì)性能的影響[7-8]。

圖4 模擬仿真的壓力云圖

圖5 模擬仿真的速度云圖

3 仿真結(jié)果分析

雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的性能與螺旋轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙大小有關(guān)，通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙大小對(duì)裝置性能的影響。

3.1 葉片數(shù)量的影響

假定其他參數(shù)保持不變，分別取葉片數(shù)為2，3，4，5，6，7，8，9個(gè)，經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，得出轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩與葉片數(shù)變化之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 螺旋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨葉片數(shù)變化關(guān)系曲線圖

圖6表明，在其他參數(shù)保持不變的情況下，對(duì)于某固定的雙螺旋轉(zhuǎn)子，葉片數(shù)量存在有最佳值，葉片數(shù)在6個(gè)左右時(shí)水流在螺旋轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，且來(lái)流速度越大這種現(xiàn)象越明顯。

取葉片數(shù)分別為為4，6，8個(gè)時(shí)，分析葉片數(shù)對(duì)流場(chǎng)狀況的影響。結(jié)果如圖7所示。

圖7 葉片數(shù)的影響

從圖7（a）可以看出，在流速相同的情況下，葉片數(shù)為6個(gè)的雙螺旋轉(zhuǎn)子葉面上的壓力分布比較均勻，呈現(xiàn)從高到低的分布趨勢(shì)，說(shuō)明葉片數(shù)的改變對(duì)葉面壓力分布有一定的影響，葉片數(shù)較高或較低時(shí)水流在螺旋轉(zhuǎn)子上的徑向流動(dòng)增加，導(dǎo)致葉片低壓區(qū)面積減少，壓差變小，而葉片數(shù)為6個(gè)的雙螺旋轉(zhuǎn)子能較好地適應(yīng)水流的沖擊，在相同情況下比雙螺旋轉(zhuǎn)子數(shù)為4、8個(gè)的轉(zhuǎn)矩大。

從圖7（b）可以看出，葉片數(shù)為6個(gè)的雙螺旋轉(zhuǎn)子葉面上的速度分布層次更明顯，可以說(shuō)明水流在葉片數(shù)為6個(gè)的雙螺旋轉(zhuǎn)子上的流動(dòng)過(guò)程中，流動(dòng)損失更小，在出口處沒(méi)有明顯的回流、渦流現(xiàn)象，從而轉(zhuǎn)矩大小比雙螺旋轉(zhuǎn)子數(shù)為4、8個(gè)的更高。

3.2 葉片長(zhǎng)度的影響

假定其他參數(shù)保持不變，當(dāng)葉片長(zhǎng)度分別取值為40，45，50，55，60，65，70，75，80 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，得出轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩與葉片長(zhǎng)度變化之間的關(guān)系，如8所示。

圖8 螺旋轉(zhuǎn)子力矩隨葉片長(zhǎng)度變化關(guān)系曲線圖

圖8表明，在其他參數(shù)保持不變的情況下，對(duì)于某固定的雙螺旋轉(zhuǎn)子，葉片長(zhǎng)度存有最佳值，葉片長(zhǎng)度在60 mm左右時(shí)水流在螺旋轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，且來(lái)流速度越大這種現(xiàn)象越明顯。

取葉片長(zhǎng)度分別為40 mm，60 mm，80 mm時(shí)，分析葉片長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)狀況的影響。結(jié)果如圖9所示。

圖9 葉片長(zhǎng)度的影響

從圖9（a）可以看出，在流速相同的情況下，60 mm軸向長(zhǎng)度的壓力分布比40 mm和80 mm軸向長(zhǎng)度的壓力分布均勻，原因主要是對(duì)于同一雙螺旋轉(zhuǎn)子，隨著葉片長(zhǎng)度的增加，水流對(duì)雙螺旋轉(zhuǎn)子的作用面積增加，使其受到更多沖擊力，達(dá)到一定值后水流在葉面上形成渦流和回流，導(dǎo)致沖擊力抵消減小。從而長(zhǎng)度為60 mm的葉片轉(zhuǎn)矩比長(zhǎng)度為40 mm和80 mm的葉片轉(zhuǎn)矩高。

從圖9（b）可以看出，60 mm葉片長(zhǎng)度速度分布比較均勻，速度分布層次比40 mm和80 mm葉片長(zhǎng)度更明顯，沿程阻力較小，從而可獲得較高的轉(zhuǎn)矩。

3.3 螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙距離的影響

假定其他參數(shù)保持不變，分別取螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙為3，4，5，6，7，8，9 mm，經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，得到轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩與螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙變化的關(guān)系，如10所示。

圖10 螺旋轉(zhuǎn)子力矩隨間隙變化的關(guān)系曲線圖

圖10表明，在其他參數(shù)保持不變的情況下，對(duì)于某固定的雙螺旋轉(zhuǎn)子，螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙取3 mm較為合適，隨著間隙增大，泄漏損失增加，轉(zhuǎn)矩減小，裝置效率降低。但也不是間隙越小越好，還要考慮到轉(zhuǎn)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、安全性，選擇合理的間隙。

取間隙為3 mm和7 mm的轉(zhuǎn)輪在Y=5 mm、Y=55 mm位置處（Y=5 mm接近轉(zhuǎn)輪水流入口，Y= 55 mm接近轉(zhuǎn)輪水流出口）分析螺旋轉(zhuǎn)子與圓管之間的間隙對(duì)流場(chǎng)狀況的影響。結(jié)果如圖11所示。

圖11 輪緣間隙的影響

從圖11(a)和圖11(b)可以看出，轉(zhuǎn)輪的入口壓力基本相等，但間隙為7 mm的轉(zhuǎn)輪在出口處壓力要低于間隙為3 mm的轉(zhuǎn)輪，整體壓力分布沒(méi)有間隙為3 mm的轉(zhuǎn)輪分布的均勻。說(shuō)明隨著間隙的增大，轉(zhuǎn)輪泄漏增加，裝置力矩也隨著下降。

從圖11(c)和圖11(d)可以看出，7 mm間隙轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場(chǎng)不僅存在軸向流動(dòng)還存在徑向流動(dòng)?？拷诿嫣幱捎谡承缘讓拥挠绊?，速度比較小，流道內(nèi)的跡線比較紊亂，而3 mm間隙流場(chǎng)速度分布則更有層次感，說(shuō)明3 mm間隙相較于7 mm間隙流動(dòng)速度穩(wěn)定，葉片可以更高效地將海水的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)雙螺旋轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行了三維模擬仿真，通過(guò)對(duì)葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、葉緣間隙等影響轉(zhuǎn)輪性能的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算模擬，得到相應(yīng)的流動(dòng)場(chǎng)壓力及速度分布特性，結(jié)果表明:對(duì)于某固定的雙螺旋轉(zhuǎn)子，葉片數(shù)量、葉片長(zhǎng)度、輪緣間隙存在最佳值，使得轉(zhuǎn)矩最大。文中為波浪發(fā)電提供了一種新的思路，取得了部分有意義的階段性研究成果，為后續(xù)該類型裝置加工設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用有一定的參考意義。

[1]張?zhí)扉?劉月超.全球新能源面面觀[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2007,02:64-69.

[2]羊曉晟.振蕩浮子式海洋波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[D].上海：上海海洋大學(xué)，2010.

[3]李成魁,廖文俊,等.世界海洋波浪能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展[J].裝備機(jī)械,2010,2:68-73

[4]梁賢光，王偉，杜彬，等．后彎管波力發(fā)電浮標(biāo)模型性能試驗(yàn)研究[J]．海洋工程，1997,15(3):77-86.

[5]Salter,SH.Wave power[J].Nature,1974,249(5459):720-724.

[6]勾艷芬,葉家瑋,李峰,等.振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置模型試驗(yàn)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,04:498-501.

[7]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[8]劉勝柱.水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分析與性能優(yōu)化研究[D].西安:西安理工大學(xué),2005.

Numerical Simulation Analysis on the Double Helix Rotor Type Wave Energy Power Generation Device

LIU Sen-ming,HE Hong-zhou,LI Ju-yue,ZHENG Song-gen
College of Marine engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian Province,China

Converting wave energy into electricity is a hotspot in marine energy research.In this paper,a double helix rotor type wave energy power generation device is designed,which could acquire energy by utilizing the up and down motion of ocean waves.The Fluent software is adopted to conduct numerical simulation analysis on the characteristics of pressure and velocity distribution in the number of the blade,the length of the blade and the distance between the screw rotor and circular tube clearance.The double helix rotor torque is calculated under different situations.The results show that,for a fixed double helix rotor,the number of the blade,the length of the blade and the impeller clearance all have optimal values to maximize the rotor torque.The results obtained in this paper provide a theoretical basis for further quantitative optimization for the wave energy power generation device.

wave energy;power generation device;double helix rotor;fluent software;numerical simulation

P743.2

A

1003-2029（2017）02-0111-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.019

2016-01-04

福建省海洋高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（閩海高新[2014]16號(hào)）

劉森明（1990-），男，碩士研究生，主要從事波浪能發(fā)電裝置方面的研究。E-mail:liusenming513@163.com

何宏舟（1967-），男，博士，教授，主要從事海洋可再生能源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)方面的研究。E-mail：hhe99@jmu.edu.cn