海底邊界效應對海流發(fā)電水輪機水動力性能影響研究

盛傳明，練繼建，林大明，徐 寶，黃宣旭

(1. 天津大學 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700; 2. 江蘇道達海上風電工程科技有限公司， 江蘇 南通 226000)

海底邊界效應對海流發(fā)電水輪機水動力性能影響研究

盛傳明1，練繼建1，林大明1，徐 寶1，黃宣旭2

(1. 天津大學 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700; 2. 江蘇道達海上風電工程科技有限公司， 江蘇 南通 226000)

對30 W海流能水平軸水輪機進行葉片設計，應用FLUENT軟件對水輪機的水動力性能進行數(shù)值模擬，研究了邊界效應對葉片表面壓力、流場、湍流強度、獲能和軸向力的影響。受海底邊界效應影響，海流速度沿深度呈現(xiàn)梯度變化，底層流速較小，中上層流速較大。邊界效應導致水輪機的水動力性能呈現(xiàn)周期性變化，降低了水輪機的獲能和軸向力。機組布置時，宜選擇水流穩(wěn)定且流速較大的中上層區(qū)域。

水平軸水輪機；水動力性能；邊界效應；海流能

Abstract: The blade of a 30W horizontal axis marine current turbine was designed. Numerical simulation of hydrodynamic performance of marine current turbine was made by using computational fluid dynamic software FLUENT. The influence of boundary effect to surface pressure distribution of blade, velocity distribution of flow field, turbulent kinetic energy, power and axial force were analyzed. Velocity gradient along the water depth is caused by boundary effect of bed. The closer to bottom, the smaller flow velocity. Boundary effect leads to periodic change of hydrodynamic performance, and power and axial force is reduced then. Marine current turbine should be installed in the upper level of seawater which has a stable and larger velocity.

Keywords: horizontal axis turbine; hydrodynamic performance; boundary effect; power

尋求和發(fā)展可再生清潔能源是當前不可逆轉(zhuǎn)的新趨勢，世界各國都在積極開發(fā)新型可再生能源[1]。海洋海流能由于儲量豐富、載荷穩(wěn)定、可預測性強等優(yōu)點而備受青睞，是近年來發(fā)展較快的海洋能能種之一[2]。海流發(fā)電水輪機是一種利用海流能來獲取能量的旋轉(zhuǎn)機械，通過葉片的升力效應推動水輪機旋轉(zhuǎn)做功，帶動發(fā)電機發(fā)電，將海流能轉(zhuǎn)化為電能，提供清潔能源。

近年來，隨著計算流體力學的發(fā)展和計算機軟硬件水平的提高，眾多科研機構(gòu)應用CFD方法對水輪機的水動力性能進行了深入研究。英國Southampton大學應用CFD和模型試驗相結(jié)合的方法，對水輪機的性能進行了總結(jié)研究[3]；英國Exeter大學對水輪機建立解析模型和CFD模型，對其進行對比研究[4]；國內(nèi)哈爾濱工程大學[5]、中國海洋大學[6]和浙江海洋學院[7]等研究機構(gòu)應用CFD方法對垂直軸、水平軸水輪機性能進行了相關研究。

受海底邊界效應的影響，海流速度沿水深呈現(xiàn)梯度變化，距離海底越近，流速越小[8]。英國Southampton大學使用理論方法，對受邊界效應影響下水輪機獲能進行預測[9]。水輪機運行在梯度流中，其水動力性能將產(chǎn)生一系列變化，目前對此方面的研究較少。本文以30W海流發(fā)電水輪機為例，應用CFD方法研究邊界效應對水輪機水動力特性的影響。

1 水輪機設計

1.1葉片設計主要參數(shù)

水輪機葉片設計的主要參數(shù)為：水輪機額定功率P=30W，設計流速V=1.11 m/s，設計獲能系數(shù)CP=0.35。

1.2翼型和尖速比

翼型的選擇對水輪機的水動力性能具有至關重要的作用，英國University of Southampton對海流發(fā)電水輪機進行了多次試驗研究，試驗水槽長和寬分別為2 m和0.5 m，水深0.5 m，水流流速4 m/s，試驗結(jié)果表明NACA63-8XX系列翼型的獲能系數(shù)較高[10]。本文試驗水槽長10 m，寬1 m，水深1.2 m，水流流速可達3 m/s，水槽結(jié)構(gòu)相似，采用NACA63-8XX系列翼型。

本文葉片數(shù)目為3，根據(jù)水輪機葉片數(shù)與尖速比的匹配關系[11]，確定設計尖速比為3。

1.3葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用簡化風車理論，參考文獻[12]的設計思路，確定葉片各截面的弦長和安裝角如表1所示。

表1 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Blade structure parameters

1.4水輪機參數(shù)

根據(jù)設計流速與額定功率，確定水輪機參數(shù)如表2所示。

表2 水輪機參數(shù)Tab. 2 Turbine specifications

1.5三維模型圖

應用Solidworks軟件建立葉片模型和水輪機模型，如圖1所示。

圖1 葉片模型和水輪機模型Fig. 1 Blade model and turbine model

2 水輪機數(shù)值模型建立

2.1控制方程

假設流體是不可壓的，流場的連續(xù)方程和動量方程為：

連續(xù)方程：

動量方程：

式中：ui、uj為速度分量(m/s)，xi、xj為位置坐標分量，P為流體壓力(Pa)，μ為流體動力粘性系數(shù)。

采用SSTk-ω湍流模型[13]。該模型是由Menter發(fā)展而來，相較于其它湍流模型具有較多優(yōu)勢，文獻[13]給出了SSTk-ω湍流模型中湍流動能k和比耗散率ω的輸運方程及各參數(shù)的值。

2.2模型建立和網(wǎng)格劃分

運用Gambit軟件建立水輪機網(wǎng)格模型，將計算域分為流體域和旋轉(zhuǎn)域，應用滑移網(wǎng)格技術(shù)對計算域進行網(wǎng)格劃分，將旋轉(zhuǎn)域的外表面設置為滑移網(wǎng)格交界面。為了保證計算精度且提高運算效率，本文采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為1 031 623，計算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格Fig. 2 Mesh of computational domain

2.3設置求解器和邊界條件

采用分離式求解器隱式算法，動量、湍流動能均采用二階迎風格式離散，壓力-速度耦合使用SIMPLE算法，對水輪機葉片的轉(zhuǎn)矩和軸向力進行監(jiān)測。入口邊界條件設置為速度入口(velocity inlet)，出口邊界條件設置為自由流出口，滑移邊界設置為接觸面，上表面設置為自由表面，其余邊界設置為固壁。

3 速度梯度

3.1試驗模型

圖3 水輪機試驗模型Fig. 3 Turbine model in experiment

在循環(huán)水槽中進行模型試驗，試驗設備包括水輪機模型、DASP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Vectrino流速儀、發(fā)電機、可變電阻、循環(huán)水泵等，發(fā)電機功率50W，額定轉(zhuǎn)速267 r/min，負載大小可調(diào)，試驗模型如圖3所示。

3.2數(shù)值模擬

數(shù)值模擬水槽長5 m，寬1 m，水深1.2 m，編寫用戶自定義函數(shù)UDF，對不同水深水流速度進行定義(包括上表面)，將其作為入口速度，模擬流速1 m/s時入口截面速度分布，如圖4所示。

3.3水輪機位置

水輪機3枚葉片具有對稱性，將水輪機布置在水深0.3 m位置，不同時刻水輪機位置如圖5所示。

圖4 入口截面速度分布Fig. 4 Vectrino current meter

圖5 不同時刻葉片位置Fig. 5 Blade position at different time

3.4流速驗證

調(diào)節(jié)循環(huán)水泵得到水流流速，將流速儀置于水輪機前方2 m位置，改變流速儀入水深度測量此水流流速下縱向水深流速；將流速儀置于水輪機后方不同位置測量尾流流速，入水深度0.3 m。調(diào)節(jié)循環(huán)水泵得到不同水流流速，重復進行流速測量，對比縱向水深流速和尾流流速，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，入口流速相同時，數(shù)值模擬與模型試驗測得的水流流速變化趨勢一致，水輪機前方突降，水輪機之后隨著距離增大而增大；數(shù)值方面，試驗值和模擬值相差不大，驗證數(shù)值模擬方法的可行性。

圖6 流速對比Fig. 6 Comparison of flow velocity

4 計算結(jié)果及分析

4.1葉片表面壓力分布

當水流流速1 m/s時，對比不同時刻葉片表面壓力分布，如圖7所示。

由圖7可知，水輪機旋轉(zhuǎn)時，不同時刻葉片表面壓力發(fā)生變化，最大壓力出現(xiàn)在T時刻，位于葉片前緣，最大壓強值為3 405 Pa，最大負壓強為-4 336 Pa。葉片表面壓力周期性的變化會縮短葉片的使用壽命。

圖7 葉片表面壓力分布Fig. 7 Surface pressure distributions of blade

4.2葉輪中心截面速度分布

當水流流速為1m/s時，對比不同時刻葉輪中心截面速度分布，如圖8所示。

圖8 葉輪中心截面速度分布Fig. 8 Velocity distributions of impeller center section

由圖8可知，在梯度流環(huán)境下，葉輪中心截面速度出現(xiàn)周期性變化，最大速度出現(xiàn)在T/2時刻，位于輪轂左下方葉片掃掠面的前方，最大速度值為2.36 m/s，葉輪中心截面速度周期性變化會導致水輪機輸出功率不穩(wěn)定，影響水輪機的獲能。

4.3湍流強度

當水流流速1 m/s時，對比不同時刻葉輪縱剖面湍流強度分布，如圖9所示。

圖9 縱剖面湍流動能分布Fig. 9 Turbulent kinetic energy distributions of longitudinal section

由圖9可知，在梯度流環(huán)境下，葉輪縱剖面湍流強度不恒定，最大湍流強度出現(xiàn)在T/2時刻，湍流強度周期性變化會導致下游水流流態(tài)不穩(wěn)定，對下游機組獲能帶來不利影響。

4.4水輪機葉片獲能特性

4.4.1 水輪機獲能

當水流流速為1 m/s時，將水輪機置于水深0.3 m位置，研究邊界效應對水輪機獲能的影響，如圖10所示。

由圖10可知，邊界效應對水輪機獲能影響較大，考慮邊界效應時，水輪機獲能功率不恒定，獲能數(shù)值低于不考慮邊界效應時獲能，此計算工況損失的能量約為總獲能的15%。

4.4.2 尖速比影響

當水流流速為1 m/s時，改變不同尖速比，研究水輪機獲能系數(shù)，如圖11所示。

圖10 水輪機獲能曲線Fig. 10 Power curve of turbine

圖11 水輪機獲能系數(shù)對比Fig. 11 Comparison of power coefficient

由圖11可知，隨著尖速比增大，獲能系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最佳尖速比為3.5，邊界效應沒有改變獲能系數(shù)的變化趨勢，只是降低了獲能系數(shù)值。

4.4.3 深度影響

當水流流速為1 m/s時，將機組布置在不同水深位置，研究水深與獲能系數(shù)的關系，如圖12所示。

由圖12可知，中上層水域流速較大且相對穩(wěn)定，此處水輪機獲能系數(shù)較高，當水輪機置于水深0.3 m位置時，最大獲能系數(shù)為35.2%，滿足設計要求；下層水域流速小且變化幅度大，此處水輪機獲能系數(shù)較低。水輪機組宜布置在流速較大且流態(tài)穩(wěn)定的中上層水域。

4.5水輪機軸向力

水輪機軸向力與機組的支撐結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系，軸向力越大，越需要支撐結(jié)構(gòu)提供更大的支持力來固定水輪機。當水流流速為1 m/s、葉尖速比為3.5時，不同時刻水輪機軸向力曲線如圖13所示。

圖12 獲能系數(shù)對比Fig. 12 Comparison of power

圖13 水輪機軸向力曲線 Fig. 13 Axial force curve of turbine

由圖13可知，考慮邊界效應時，軸向力呈現(xiàn)周期性變化，邊界效應降低了水輪機的軸向力，此計算工況軸向受力降低了10%。

5 結(jié) 語

本文應用CFD方法，研究了邊界效應對海流發(fā)電水輪機水動力性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)水流速度沿水深呈現(xiàn)梯度變化，中上層較大，底部較小。水輪機旋轉(zhuǎn)時，葉片表面壓力、中心截面速度、湍流動能都呈現(xiàn)周期性變化。

2)邊界效應使水輪機獲能和軸向力呈現(xiàn)周期性變化，機組獲能系數(shù)和獲能功率有所降低。

3)為了使水輪機獲得較大、平穩(wěn)的輸出功率，應合理布置水輪機的位置，盡量避開海底水流不穩(wěn)定的低速區(qū)，選擇水流穩(wěn)定且流速較大的中上層區(qū)域。

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Influence of boundary effect to hydrodynamic performance of marine current turbine

SHENG Chuanming1, LIAN Jijian1, LIN Daming1, XU Bao1, HUANG Xunaxu2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, The Frontier Technology Research Institute Limited Company of Tianjin University，Tianjin 301700,China; 2. The Offshore Wind Power Engineering Technology Limited Company of Jiangsu Daoda, Nantong 226000, China)

1005-9865(2017)02-0075-08

TK730.2, P743.1

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.011

2016-06-23

江蘇省科技支撐計劃-工業(yè)部分資助項目(BE2014091)；與防波堤結(jié)合的新型波浪能發(fā)電及利用關鍵技術(shù)資助項目

盛傳明(1987-)，男，山東濰坊人，工程師，主要從事海洋可再生能源研究。E-mail: 1094897747@qq.com