振蕩水柱波能裝置沖擊式空氣透平優(yōu)化數(shù)值模擬研究

張 真劉 臻張曉霞

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島266100)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,能源供需矛盾的日益突出,人類社會對清潔能源與能源利用的先進(jìn)技術(shù)需求有增無已。近年來,世界各國紛紛調(diào)整能源結(jié)構(gòu),不斷完善可再生能源的開發(fā)形式及利用技術(shù),提高能源利用率,增強(qiáng)能源競爭力。

海洋能具有分布范圍廣、儲存量大、可再生性優(yōu)越等特點(diǎn),是極具開發(fā)潛力的可再生能源。海洋能包括波浪能、海流能、潮汐能、溫差能和鹽差能等多種能量形式。其中,波浪能因其分布廣泛、能流密度高、方便提取與轉(zhuǎn)化、可與已有防波堤相互耦合等優(yōu)點(diǎn),是如今被開發(fā)利用最為廣泛的海洋能之一。

根據(jù)捕能原理的不同,波浪能發(fā)電裝置主要分為越浪式(Overtopping)、振蕩體式(Oscillating Body)和振蕩水柱式(Oscillating Water Column,OWC)三種?？傮w上看,國際波浪能技術(shù)正朝著高效率、高可靠、易維護(hù)的方向發(fā)展[1]。相比之下,振蕩水柱式波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單,可與防波堤結(jié)合,其能量轉(zhuǎn)換裝置空氣透平不與海水接觸,且除透平外無其他可活動機(jī)械部件,因此安裝成本更低,維護(hù)更為便利,裝置壽命更長[2],更加符合當(dāng)今發(fā)展趨勢。

空氣透平是振蕩水柱式波能發(fā)電裝置的二級能量轉(zhuǎn)換裝置,目前主要分為威爾斯式與沖擊式。威爾斯式透平由Wells在1976年提出[3],該裝置具有失速現(xiàn)象,到達(dá)失速點(diǎn)時,扭矩的驟減會使得裝置性能極具下降。此外,威爾斯式透平還具有自啟動性能差、工作噪聲大、工作范圍窄等缺點(diǎn)。為克服以上不足,Kim 在1988年提出了沖擊式透平[4-5],該裝置的自啟動性能更好,在大流量系數(shù)區(qū)可保持較高的效率,且不存在失速現(xiàn)象,在振蕩水柱式波能發(fā)電裝置中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。沖擊式透平是壓力型透平,其主要不足在于,裝置運(yùn)行期間,動葉片壓力面到吸力面的壓差會使得一部分氣流進(jìn)入葉尖間隙,形成泄流,產(chǎn)生較大的動力損失。

對于沖擊式透平的性能優(yōu)化,學(xué)者們做出了諸多研究。Thakker和Dhanasekaran率先利用CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)探索了透平葉尖間隙泄流的機(jī)理,研究了葉尖間隙對透平性能的影響[6]。Hyun等在動葉片尖端安裝了端板結(jié)構(gòu),同時在環(huán)面導(dǎo)流罩的相應(yīng)區(qū)域設(shè)置溝槽,提出了“簡單嵌入式”結(jié)構(gòu),以降低葉尖間隙泄流的不利影響[7];此外,Hyun等還探索了雷諾數(shù)Re對透平性能的影響,研究指出,雷諾數(shù)的增大最多可使透平效率提高約7%[8]。Liu等針對沖擊式透平進(jìn)行了一系列3-D 定常數(shù)值計算,研究了葉尖間隙對間隙泄流及動葉片頂部渦面卷曲的影響,該部分研究成果直接服務(wù)于韓國濟(jì)州島500 k W Yongsoo OWC裝置中透平的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能預(yù)測[9];隨后,Liu等開展了進(jìn)一步的定常數(shù)值模擬研究,通過對動葉片扭轉(zhuǎn)角、動葉片稠度、動葉片與導(dǎo)流葉片稠度比和動葉片尖端結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究[10-14],提出對透平結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及工作性能的改進(jìn)建議。

目前,國內(nèi)對沖擊式透平動葉片尖端結(jié)構(gòu)的研究較少,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對動葉片尖端結(jié)構(gòu)做出改變,研究環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平性能的影響,并通過對研究結(jié)果的分析,為沖擊式空氣透平的實際應(yīng)用提供合理建議。

1 研究內(nèi)容

1.1 模型構(gòu)建

本文通過三維機(jī)械設(shè)計軟件Solidworks 2015及流體網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD 16.0進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建與網(wǎng)格劃分,并借助流體力學(xué)軟件FLUENT 16.0實現(xiàn)數(shù)值模擬計算。

1.1.1 模型結(jié)構(gòu)

環(huán)結(jié)構(gòu)透平由傳統(tǒng)型透平和環(huán)結(jié)構(gòu)兩部分組成。其中,傳統(tǒng)型透平基本結(jié)構(gòu)尺寸參考Setoguchi團(tuán)隊的研究成果[15-16](圖1)。透平包含26對導(dǎo)流葉片及30個動葉片,導(dǎo)流葉片對稱分布于動葉片兩側(cè)。導(dǎo)流葉片為板式結(jié)構(gòu),其輪廓線由長ls為34.8 mm 的直線段及半徑Ra為37.2 mm 的圓弧段組成。導(dǎo)流葉片的葉片厚度tg為2 mm,徑向弦長lg=70 mm,葉片間隔Sg=30.8 mm,中心線彎曲角δ=60°,葉片裝置角θ=30°。動葉片由壓力面和吸力面組成,壓力面為一段半徑Rp為30.2 mm 的圓弧,吸力面為一段半長軸Ea及半短軸Ee分別為125.8 mm、41.4 mm 的橢圓弧,兩端弧線通過半徑Ri為0.5 mm 的小圓弧平滑連接。動葉片厚度tr為16.1 mm,徑向弦長lr為54 mm,葉片間隔Sr=26.7 mm 入射角γ為60°。動葉片與導(dǎo)流葉片之間的間距G=20 mm。環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為0.7 mm,安裝在傳統(tǒng)型透平動葉片尖端,并保持葉尖間隙不變。環(huán)結(jié)構(gòu)透平三維模型圖如圖2所示,結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,透平其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

1.1.2 網(wǎng)格劃分

空氣透平中流體基本控制方程為不可壓縮流體連續(xù)方程和雷諾時均方程,對控制方程采用有限體積法構(gòu)造離散方程,其中擴(kuò)散項采用中心差分格式進(jìn)行空間離散,對流項采用二階精度迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散;采用SIMPLE算法執(zhí)行壓力-速度耦合,以獲得更快的收斂速度。本文參考Pereiras等的模型建議[17],選用Realizablek-ε湍流模型。另外,本文所有計算均在定常條件下展開,并采用固定入口流速、改變透平轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)完整流量系數(shù)范圍的覆蓋。

模型整體計算流域的組成及分布如圖4所示,各區(qū)域之間通過interface實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞,本文采用MFR模型(Multiple Reference Frame Model)進(jìn)行計算。為保證動葉片處流動充分發(fā)展,本文將透平上、下游導(dǎo)流葉片區(qū)分別向兩側(cè)進(jìn)行延伸,參照Liu等的研究[18],延伸長度取動葉片區(qū)的8倍長度。此外,在上導(dǎo)流葉片區(qū)的首段設(shè)置速度入口邊界條件,在下導(dǎo)流葉片區(qū)的末端設(shè)置壓力出口邊界條件。本文在全流域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并將動葉片區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,以保證計算精度。

圖2 透平三維模型Fig.2 Three-dimensional model of turbine

圖3 環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of ring structure

表1 透平其他結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Other structural dimensions of the turbine

圖4 數(shù)值模型流域劃分及網(wǎng)格細(xì)節(jié)Fig.4 Watershed division and grid details of numerical model

1.2 定常性能評價參數(shù)

目前,對于透平的理論研究已經(jīng)形成系統(tǒng)的體系,對于沖擊式透平的工作性能,主要通過輸入系數(shù)(CA),扭矩系數(shù)(CT),透平效率(η)以及流量系數(shù)(φ)四個無量綱參數(shù)進(jìn)行量化評價,其中輸入系數(shù)表征汲取能量的能力,扭矩系數(shù)表征輸出扭矩的能力,各參量定義式如下:

式中,Δp為透平上、下游端壓差;Q為通過透平的空氣流量;T0為透平輸出扭矩;ρa(bǔ)為空氣密度;vn為軸向入射環(huán)面流速;UR為動葉片圓周速度;b為葉片高度;lr為動葉片徑向弦長;z為動葉片數(shù)目;νa為軸向圓面速度;ω為動葉片角速度。

2 研究結(jié)果

2.1 模型驗證

數(shù)值模型的網(wǎng)格疏密對計算時長和計算精度均有影響。因此,在研究開展前,首先進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗證,以驗證該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。分別選取1.4×106,2.0×106以及2.8×106三種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬計算,并將計算結(jié)果與試驗值進(jìn)行對比,該數(shù)值模型可靠性及準(zhǔn)確性驗證結(jié)果見圖5。由圖5可見,3種網(wǎng)格數(shù)量下,透平效率曲線相差不大,且均與試驗值擬合良好,綜合考慮計算時間及計算精度,本文選用網(wǎng)格數(shù)量為2.0×106的數(shù)值模型開展研究。

其次,本文將數(shù)值計算結(jié)果與該裝置對應(yīng)的物理模型試驗結(jié)果進(jìn)行了對比,以驗證該數(shù)值模型的可靠性。該部分物理模型試驗于中國海洋大學(xué)工程學(xué)院國家重點(diǎn)實驗室開展,透平定常性能測試平臺主要分為定常風(fēng)洞、透平和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)四個部分,各部分裝置位置如圖6所示。圖7為數(shù)模計算結(jié)果與物模試驗結(jié)果的對比情況。由圖7a與圖7b可見,數(shù)值結(jié)果的趨勢與試驗結(jié)果的趨勢相符,但當(dāng)φ＞1時,輸入系數(shù)與扭矩系數(shù)的數(shù)值曲線均高于試驗曲線,這是由于在數(shù)值模型中定義氣流時,通常直接將空氣近似為不可壓縮流體,且在模擬沖擊式空氣透平的氣流流動時,忽略了流體間的熱量交換,而試驗中無法消除由系統(tǒng)摩擦、環(huán)境條件等因素導(dǎo)致的對流場的影響;由圖7c可見,整個流量系數(shù)范圍內(nèi)數(shù)值模型對透平效率的預(yù)測與試驗結(jié)果具有較高的契合度。

圖5 網(wǎng)格數(shù)對透平效率的影響Fig.5 Influence of grid number on turbine efficiency

圖6 空氣透平定常性能測試平臺結(jié)構(gòu)Fig.6 Schematic diagram of the test platform for air turbine constant performances

圖7 數(shù)模計算結(jié)果與物模試驗結(jié)果的對比Fig.7 Comparison between the results calculated by numerical model and those tested by physical model

2.2 結(jié)果分析

本文基于沖擊式透平數(shù)值模型,開展了一系列定常數(shù)值計算。計算中所有工況的入射氣流流速均為8.5 m/s,轉(zhuǎn)速由400 r/min逐漸增大到3 500 r/min。在保證透平其他尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,改變環(huán)結(jié)構(gòu)的厚度,通過對比動葉片附近的速度分布云圖、壓力面與吸力面的壓力分布云圖以及透平無量綱性能評價參數(shù),來研究環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平工作性能的影響。本文所有模型葉尖間隙均為1 mm,環(huán)結(jié)構(gòu)軸向?qū)挾葹?6 mm,厚度分別為0.3,0.7,1.1和1.5 mm。

圖8為相同流量系數(shù)下不同環(huán)結(jié)構(gòu)厚度透平動葉片附近的速度云圖。由圖8可見,氣流在動葉片迎流端和尾端都出現(xiàn)了流動分離現(xiàn)象:氣流經(jīng)上導(dǎo)流葉片導(dǎo)流,自上而下流經(jīng)動葉片,在迎流端處,一部分沿著吸力面加速流動,一部分越過迎流端,在壓力面發(fā)生流動分離。對比圖8a～8d,環(huán)結(jié)構(gòu)厚度不同,氣流在吸力面中部形成的高速流區(qū)的覆蓋面積、對應(yīng)的峰值流速以及動葉片兩側(cè)的速度差與速度梯度也不同,隨著環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為1.1 mm 時,吸力面中部高速流區(qū)的覆蓋面積最大,動葉片兩側(cè)的速度差和速度梯度也較大。

圖8 環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平動葉片附近速度云圖的影響(φ=1.18)Fig.8 Influence of ring structure thickness on the velocity cloud maps near the roter blade of turbine(φ=1.18)

圖9 為相同流量系數(shù)下不同環(huán)結(jié)構(gòu)厚度透平動葉片兩側(cè)的壓力云圖對比。由圖9可見,隨著環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加,動葉片吸力面上部的高壓區(qū)域面積先減小后增大,中部的低壓區(qū)域面積先增大后減小,即吸力面產(chǎn)生的負(fù)作用扭矩會隨著環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加而先減小后增大;同時,壓力面中部的相對高壓區(qū)域面積先增大后減小,即壓力面產(chǎn)生的正作用扭矩會隨著環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加而先增大后減小。對比圖9a～9d,當(dāng)環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為1.1 mm 時,動葉片壓力面與吸力面的壓差最大,動力損失最小。

圖10為通過對無量綱性能評價參數(shù)的對比,分析了不同環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平工作性能的影響。由圖10可見,環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的影響主要體現(xiàn)在輸入系數(shù)CA上:隨著環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加,CA呈先減小后增大的趨勢,這一趨勢在1.0＜φ＜2.0的區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)尤為明顯,趨勢的拐點(diǎn)出現(xiàn)在環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為1.1 mm 處。扭矩系數(shù)CT隨環(huán)結(jié)構(gòu)厚度變化不明顯,但環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為1.1 mm 時,CT的值略有提升。因此,由圖9c可見,在1.0＜φ＜2.0區(qū)間內(nèi),透平效率隨環(huán)結(jié)構(gòu)厚度增加先增大后減小,在環(huán)結(jié)構(gòu)厚度為1.1 mm 時達(dá)到最高,此時透平效率比0.7 mm環(huán)結(jié)構(gòu)厚度時提高12.8%。即在透平其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變的條件下,環(huán)結(jié)構(gòu)厚度設(shè)定為1.1 mm時,透平的工作性能最優(yōu),這一結(jié)論與分析速度云圖、壓力云圖所得結(jié)論相同。

圖9 環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平動葉片吸力面和壓力面壓力云圖的影響(φ=1.18)Fig.9 Influence of the ring structure thickness on the pressure cloud maps at suction and pressure surfaces of the rotor blade of turbine(φ=1.18)

圖10 環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平工作性能的影響Fig.10 Influence of the ring structure thickness on the working performance of turbine

3 結(jié) 語

本文構(gòu)建了沖擊式透平三維數(shù)值模型,首先驗證了其可靠性和準(zhǔn)確性,隨后針對不同環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對透平性能的影響展開了一系列的定常數(shù)值計算。研究發(fā)現(xiàn),環(huán)結(jié)構(gòu)厚度對動葉片附近的流速、兩側(cè)壓力分布均有明顯影響,這些因素導(dǎo)致了透平輸入系數(shù)、扭矩系數(shù)的變化,進(jìn)而導(dǎo)致了透平效率的變化。在流量系數(shù)1.0＜φ＜2.0區(qū)間內(nèi),透平效率隨環(huán)結(jié)構(gòu)厚度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。環(huán)結(jié)構(gòu)厚度設(shè)定為1.1 mm 時,透平的工作性能最優(yōu)。本文對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化有效提高了沖擊式空氣透平的工作性能,可為實際工程中透平的結(jié)構(gòu)選型提供可靠依據(jù),為波浪能向高效轉(zhuǎn)換方向的發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。