用于雙向水流發(fā)電的導(dǎo)流罩增速性能研究

顏瑞雪,陳 韜,李國富,劉曉杰

（寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波 315211）

近年來,潮流能由于其可預(yù)測性強(qiáng)和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)成為廣受關(guān)注的可再生能源之一[1-2].水平軸潮流能水輪機(jī)作為目前最常用的一種潮流能發(fā)電裝置,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但受其自身結(jié)構(gòu)和葉片翼型等因素的影響,水平軸水輪機(jī)無法有效利用雙向水流流動,往往需要額外的輔助設(shè)備,存在運(yùn)行穩(wěn)定性偏低、安裝與維護(hù)困難、成本較高等問題[3].因此,改善水輪機(jī)反向發(fā)電性能,提高對雙向水流流動能量的有效利用率,增加水輪機(jī)總輸出功率,對促進(jìn)和加快海洋能的開發(fā)利用具有重要意義.

王樹杰等[4]為了提高水平軸水輪機(jī)的總發(fā)電功率,對一種水平軸水輪機(jī)的導(dǎo)流罩進(jìn)行了優(yōu)化,研究了導(dǎo)流罩線型中收縮角度、收縮長度等參數(shù)與其性能之間的關(guān)系.周旭[5]對美國國家航空咨詢委員會(National Advisory Committee for Aeronautics,NACA)開發(fā)的2 種翼型進(jìn)行了改造,將其用作水輪機(jī)葉片截面形狀,設(shè)計(jì)了一種懸浮式雙向潮流能水輪機(jī),以有效利用雙向水流的能量,但由于采用懸浮式結(jié)構(gòu),水輪機(jī)在水下容易晃動,難以保持平衡,因此運(yùn)行穩(wěn)定性較差.Luquet 等[6]研究了一種自適應(yīng)導(dǎo)流裝置,該裝置利用導(dǎo)流裝置末端安裝的尾翼控制裝置整機(jī)的朝向,理論上可以使水輪機(jī)始終正對水流方向,避免了使用非固定式葉片或較復(fù)雜的輔助裝置,但由于自然環(huán)境中水流流動方向往往具有隨機(jī)性,可能會導(dǎo)致導(dǎo)流裝置頻繁調(diào)整,難以保持穩(wěn)定的姿態(tài),從而降低了發(fā)電裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性.張興等[7]等設(shè)計(jì)了一種擺動葉片式波浪能發(fā)電裝置,該裝置能將波浪的上下雙向運(yùn)動轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)軸單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,提高對波浪能的利用效率,但存在響應(yīng)不及時(shí)、能量轉(zhuǎn)換效率較低等問題.Khamlaj 等[8]利用有限元仿真軟件,通過改變不同導(dǎo)流裝置的形狀、曲率半徑等參數(shù),考察導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對發(fā)電性能的影響,但未考慮水流雙向流動時(shí)導(dǎo)流裝置的性能變化.鄧智雯等[9]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,選取導(dǎo)流罩?jǐn)U口段長度、中間段長度和開口張角為主要因素優(yōu)化裝置性能,但受到導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)影響,其反向性能相對較低.Matsushima 等[10]分析了一種帶后緣的擴(kuò)張型導(dǎo)流罩幾何參數(shù)對增速效果的影響,研究了擴(kuò)張角度與后緣長度的變化對裝置內(nèi)部流速的影響,結(jié)果表明導(dǎo)流裝置擴(kuò)張出口的幾何參數(shù)對其性能具有重要影響.綜上,目前多數(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注如何提高水輪機(jī)的單向發(fā)電性能,忽視了潮流雙向流動對其性能的影響,而現(xiàn)有的雙向發(fā)電技術(shù)也存在維護(hù)困難、能量利用效率較低等問題.

本文基于文獻(xiàn)[11]中提出的復(fù)合式發(fā)電裝置,研究了一種用于雙向?qū)Я餮b置的導(dǎo)流罩及其性能,分析了出入口所安裝的增速導(dǎo)流罩收縮和擴(kuò)張幾何參數(shù)對提高水流速度及增加水輪機(jī)輸出功率的作用,以期提升水平軸潮流能水輪機(jī)的發(fā)電效率.

1 仿真模型的建立

1.1 工作原理

導(dǎo)流裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要由出入口處的增速導(dǎo)流罩、導(dǎo)流管道、單向閥門組成.通過限位塊限制閥門的轉(zhuǎn)動方向,使其僅能朝單一方向開啟和關(guān)閉.水輪機(jī)安裝在裝置中心E 處,導(dǎo)流管道截面形狀為正方形.當(dāng)水流從左至右流動時(shí),外部水流從入口A 流入,推動入口B 與出口C處的閥門關(guān)閉,隨后水流流經(jīng)水輪機(jī)所在位置E,推動出口D 處閥門開啟后流出.當(dāng)水流從右至左流動時(shí),閥門的運(yùn)動情況與上述相反.借助單向閥門對水流流向的控制,該裝置可將外部雙向流動的水流轉(zhuǎn)換為內(nèi)部單向流動的水流,提高了水輪機(jī)對雙向水流能量的利用效率.

圖1 導(dǎo)流裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 仿真參數(shù)設(shè)定

本文主要研究雙向?qū)Я餮b置出入口位置所安裝的增速導(dǎo)流罩,分析其收縮角度和長度、擴(kuò)張角度和長度等幾何參數(shù)對其阻力損耗、流速比及水輪機(jī)發(fā)電功率的影響,不涉及中部“工”字形導(dǎo)流管道的轉(zhuǎn)角半徑R、管道寬度d等幾何參數(shù)對內(nèi)部阻力損耗以及水輪機(jī)發(fā)電功率的影響.因此,選取導(dǎo)流管道寬度d=0.5 m,中心高度H=0.2d,轉(zhuǎn)角半徑R=1.5d,過渡段長度L=0.2d.

利用有限元仿真軟件Fluent 對水流流動進(jìn)行模擬,選擇Realizablek-ε湍流模型作為仿真計(jì)算模型,該模型對有曲率流動、分離流動以及二次流等復(fù)雜流動有較好的計(jì)算精度[12].由于海水通常視為具有不可壓縮性,因此選用基于壓力的Simple 算法,該算法廣泛應(yīng)用于不可壓縮流的穩(wěn)態(tài)分析,具有計(jì)算精度高、求解速度快等優(yōu)點(diǎn).采用高精度的二階迎風(fēng)格式作為離散控制方程進(jìn)行計(jì)算,可有效地提高求解精度,避免解的發(fā)散.

模型邊界條件的設(shè)定如圖2 所示,采用多重參考系方法對水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行模擬,并將仿真水域劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域兩部分.根據(jù)真實(shí)海洋環(huán)境中水流自由流動的特點(diǎn),在仿真水域邊界條件的設(shè)定中,將邊界入口設(shè)定為速度入口,模擬水流的自由流動.出口為壓力出口,可保障水流充分流動,其余邊界設(shè)定為不可滑移壁面.為防止水流回流導(dǎo)致求解發(fā)散,影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,設(shè)置出口長度為Lout=30d,入口長度Lin=15d,圓柱形仿真水域直徑D=20d,避免阻塞效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果造成影響.

圖2 邊界條件

1.3 導(dǎo)流罩性能評價(jià)模型

水輪機(jī)從水流中獲得的功率為[13]:

式中:P為發(fā)電功率,W;ρ為水流密度,kg?m-3;A為葉片掃掠面積,m2;v為水輪機(jī)前方來流速度,m?s-1;Cp為水輪機(jī)葉片的功率系數(shù).

從式(1)可看出,水輪機(jī)輸出功率受水流速度影響極大,因此在對增速導(dǎo)流罩進(jìn)行優(yōu)化過程中,采用計(jì)算流速比(導(dǎo)流管道內(nèi)葉片旋轉(zhuǎn)平面處的平均流速與外部流速的比值)作為評估導(dǎo)流罩性能的指標(biāo).流速比的計(jì)算公式為:

式中:i為流速比;ν∞為外部水流平均速度,m?s-1;ν1為導(dǎo)流管道中心截面水流平均速度,m?s-1.

2 數(shù)值分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 入口導(dǎo)流罩分析

入口處導(dǎo)流罩通過縮小管道截面面積來提高裝置內(nèi)部水流速度,增加水輪機(jī)輸出功率.收縮長度L1和收縮角度α是影響導(dǎo)流罩性能的主要參數(shù).利用仿真軟件對不同導(dǎo)流罩幾何參數(shù)的內(nèi)部流場進(jìn)行分析,優(yōu)化導(dǎo)流罩尺寸,以提高其性能.不同幾何參數(shù)時(shí)裝置截面的速度云圖如圖3 所示.對比圖3(a)和圖3(b)可看到,在收縮長度相同時(shí),增加收縮角度后導(dǎo)流管道入口處的水流速度相對有所下降,但內(nèi)部水流高速區(qū)域范圍相對增大.對比圖3(a)和圖3(c)可看到,在收縮角度不變時(shí),增加收縮長度使得導(dǎo)流管道內(nèi)部高速區(qū)域范圍擴(kuò)大,有利于流速比的提高.對比圖3(b)和圖3(d)發(fā)現(xiàn),當(dāng)收縮角度較大時(shí),增加收縮長度使得入口處的水流速度降低,導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度也有所下降.上述結(jié)果表明,收縮角度過大可能會導(dǎo)致水流收縮過于劇烈而引起能量損失,因此收縮角度不宜過大.

圖3 入口導(dǎo)流罩不同幾何參數(shù)時(shí)裝置截面速度云圖

圖4 是流速比隨收縮角度增加的變化曲線.從圖4 可發(fā)現(xiàn),不同收縮長度下,隨著導(dǎo)流罩收縮角度的增加,流速比呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢,當(dāng)入口導(dǎo)流罩選擇收縮角度為10°,收縮長度為0.6d時(shí),其流速比為0.957,能夠獲得較高的性能.

圖4 入口導(dǎo)流罩幾何參數(shù)對流速比的影響

2.2 出口導(dǎo)流罩分析

擴(kuò)張型導(dǎo)流罩可以增加進(jìn)出口之間的壓力差,形成一股吸力,提高內(nèi)部水流速度,擴(kuò)張角度β和擴(kuò)張長度L2是影響其性能的關(guān)鍵因素,不同擴(kuò)張長度時(shí)裝置的截面速度如圖5 所示.從圖5 可看出,隨著出口擴(kuò)張長度的增加,導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度明顯增加,內(nèi)部高流速區(qū)域范圍顯著擴(kuò)大.

圖5 不同擴(kuò)張長度時(shí)裝置截面速度云圖

圖6 是流速比隨擴(kuò)張角度增加的變化曲線.從圖6 可看到,在相同擴(kuò)張角度下,適當(dāng)增加擴(kuò)張長度能使得流速比提高.數(shù)據(jù)表明,選擇L2=1.4d,β=12°作為出口導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)尺寸能獲得較好的性能,此時(shí)流速比可達(dá)到1.13,顯著提高了導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度.

圖6 出口導(dǎo)流罩幾何參數(shù)對流速比的影響

2.3 導(dǎo)流罩對發(fā)電性能的影響

前文通過改變導(dǎo)流罩的幾何參數(shù)得到了優(yōu)化后的收縮長度、角度以及擴(kuò)張長度、角度的取值.考慮到安裝導(dǎo)流罩與水輪機(jī)之間存在相互影響,其實(shí)際效果難以僅通過流速比進(jìn)行直接計(jì)算,因此選擇α=10°、L1=0.6d、L2=1.4d、β=12°作為出入口導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)尺寸,與水輪機(jī)相結(jié)合驗(yàn)證其用于發(fā)電時(shí)的效果.

葉尖速比是影響水輪機(jī)發(fā)電性能的重要因素之一,其計(jì)算公式為:

式中:λ為葉尖速比;νtip為葉片尖端線速度,m?s-1;ω為葉片轉(zhuǎn)速,rad?s-1;r為葉片半徑,m.

根據(jù)式(3),通過仿真軟件設(shè)定水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)速可獲得不同的葉尖速比,從而得到水輪機(jī)的功率系數(shù)曲線,對安裝導(dǎo)流罩前后的水輪機(jī)發(fā)電性能進(jìn)行對比分析.為便于對比加裝導(dǎo)流罩前后水輪機(jī)輸出性能的變化,將裸葉片水輪機(jī)的最大功率系數(shù)設(shè)置為1,通過相對功率系數(shù)衡量加裝導(dǎo)流罩前后不同葉尖速比下的水輪機(jī)功率系數(shù)變化.相對功率系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:Cpr為相對功率系數(shù);Cpλ為不同葉尖速比下水輪機(jī)功率系數(shù);Cpmax為裸葉片水輪機(jī)的最大功率系數(shù).

結(jié)合式(2)～(4),通過有限元仿真軟件Fluent,計(jì)算不同葉尖速比下水輪機(jī)單向發(fā)電的相對功率系數(shù),結(jié)果如圖7 所示.

圖7 不同裝置條件下水輪機(jī)功率系數(shù)對比

從圖7 可看到,由于導(dǎo)流管道內(nèi)部存在轉(zhuǎn)角,水流在導(dǎo)流管道內(nèi)部流動時(shí)受到轉(zhuǎn)角阻力的影響而導(dǎo)致能量損耗,因此水輪機(jī)相對功率系數(shù)有所下降,通過增速導(dǎo)流罩的匯流聚能作用,顯著提高了導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度.根據(jù)仿真數(shù)據(jù),在安裝增速導(dǎo)流罩前水輪機(jī)Cpr=0.769,安裝增速導(dǎo)流罩后Cpr=1.079,表明增速導(dǎo)流罩對提升相對功率系數(shù)效果明顯.

功率系數(shù)是水輪機(jī)對水流能量的有效利用效率.根據(jù)式(1)可知,功率系數(shù)的提升會使水輪機(jī)的輸出功率增加.因此,在水流雙向流動速度大小完全一致的理想情況下,一般裸葉片水輪機(jī)在反向來流時(shí)發(fā)電效率極低,可認(rèn)為裸葉片水輪機(jī)的雙向發(fā)電功率與其正向發(fā)電功率相等為1.使用導(dǎo)流罩后水輪機(jī)雙向總發(fā)電功率的計(jì)算公式為:

式中:P0為裸葉片水輪機(jī)的總發(fā)電功率.

仿真結(jié)果表明,無增速導(dǎo)流罩時(shí)總發(fā)電功率為1.54 W,增加增速導(dǎo)流罩后總發(fā)電功率為2.16 W,總發(fā)電量提高了40%.

2.4 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證優(yōu)化后增速導(dǎo)流罩的實(shí)際效果,設(shè)計(jì)水下拖拽試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)電性能測試.試驗(yàn)時(shí),發(fā)電裝置與導(dǎo)流裝置吊裝在一輛可在水箱上方雙向滑行的滑車下方,滑車一端通過牽引繩與電動機(jī)上的卷線桶相連接,啟動電動機(jī)可以收卷牽引繩,拖拽發(fā)電裝置在水下移動,通過調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)不同的拖拽速度,從而實(shí)現(xiàn)對不同水流速度的模擬.發(fā)電裝置與電阻串聯(lián),通過測量負(fù)載電阻上的電壓計(jì)算發(fā)電裝置的輸出功率,并以此分析發(fā)電裝置的發(fā)電性能.為了對比安裝增速導(dǎo)流罩前后,負(fù)載電功率的增長情況,量化發(fā)電裝置輸出功率的增長幅度,根據(jù)不同流速下的負(fù)載電功率數(shù)據(jù),計(jì)算相對功率增長系數(shù),其計(jì)算公式為:

式中:Pd為有導(dǎo)流裝置時(shí)的總負(fù)載電功率,W;Pt為裸葉片的總負(fù)載電功率,W.

試驗(yàn)時(shí),拖動滑車在水下來回正向和反向移動以模擬水流的雙向流動,并通過多次反復(fù)移動,獲得發(fā)電裝置外接電阻上的電壓信號,最后根據(jù)式(6)對加裝增速導(dǎo)流罩前后的發(fā)電裝置功率變化進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖8 所示.

通過控制滑車的移動速度,拖動發(fā)電裝置以1 m·s-1的平均速度在水下運(yùn)動.根據(jù)相對運(yùn)動原理,可認(rèn)為此時(shí)的水流雙向流動的平均速度同為1 m·s-1.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在相同試驗(yàn)條件下,加裝增速導(dǎo)流罩能使發(fā)電裝置發(fā)電功率相對提高約37%,此結(jié)果雖因受裝置制造精度等因素影響低于仿真值,但比較接近,說明加裝增速導(dǎo)流罩對發(fā)電裝置性能的提高有效.

圖8 相對功率增長系數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

(1)對增速導(dǎo)流罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn),在入口的收縮導(dǎo)流罩幾何參數(shù)中,收縮角度對其性能影響最為顯著,隨著收縮角度增加,流速比呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢;對于出口處的擴(kuò)張導(dǎo)流罩,擴(kuò)張長度對其性能影響較大,在擴(kuò)張角度保持不變時(shí),增加擴(kuò)張長度有利于提高流速比,當(dāng)擴(kuò)張長度保持不變,流速比隨擴(kuò)張角度的增加,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.

(2)在導(dǎo)流管道的出入口處安裝增速導(dǎo)流罩,其收縮角度為10°、收縮長度為0.4d、擴(kuò)張角度為12°、擴(kuò)張長度為1.4d時(shí),流速比可達(dá)1.13.增速導(dǎo)流罩的使用可明顯增加導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度,提高其性能.

(3)對加裝增速導(dǎo)流罩前后的發(fā)電裝置進(jìn)行水下發(fā)電試驗(yàn)表明,當(dāng)水流雙向流動速度為1 m·s-1,在導(dǎo)流管道的外部安裝增速導(dǎo)流罩可顯著提高發(fā)電裝置雙向發(fā)電時(shí)總輸出功率,與安裝前相比提高約37%.