基于FLUENT的農(nóng)業(yè)灌溉管路微型水輪機發(fā)電效率的分析與研究

李杰，翁澤城，潘鶴立

（福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)系， 福州 350002）

0 引 言

我國是個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，但水資源的缺乏和污染已經(jīng)成為了制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。農(nóng)業(yè)發(fā)展的水平低，對灌溉用水需求量大[2]，灌溉季節(jié)的用電量大[3]。為了保證農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家大力增加農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)投入，把水資源和生態(tài)平衡擺在了戰(zhàn)略位置[4]。我國灌溉用水量極大但是利用率低，水資源浪費嚴(yán)重。伴隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)得到了越來越普遍的應(yīng)用[5]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉技術(shù)多為漫灌、滲灌等大面積灌溉，這種灌溉方式在造成浪費的同時還影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而利用管道輸水的方式可以合理控制灌溉輸配水，而且建造成本低、收益高，目前已經(jīng)在各種類型的農(nóng)業(yè)耕作中大量運用，是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的主要措施之一[6]。農(nóng)業(yè)管道灌溉主要由固定噴灌區(qū)和固定滴灌區(qū)等部分組成，主要采用噴灌、滴灌以及使用管道輸水灌溉，整個灌區(qū)采用自動控制系統(tǒng)[7]。因此發(fā)展智能灌溉技術(shù)目的在于對水資源進行合理利用，改善水資源管理的技術(shù)創(chuàng)新[8]。管道水流流速大，水壓高，葉輪在其驅(qū)動下可以高速旋轉(zhuǎn)[9]，在灌溉管道中安裝超微型水輪機，管道中的高速水流沖擊水輪機葉輪使其旋轉(zhuǎn)，葉輪后接轉(zhuǎn)動軸與加速裝置，連接發(fā)電機使其發(fā)電[10]。但是微型管道空間狹小，高速水流流態(tài)復(fù)雜，水流沖擊葉輪后其轉(zhuǎn)動情況通常難以直接確定[11]，因此許多水輪機存在著發(fā)電速度慢的問題。本文為了提高水輪機發(fā)電速度，利用Fluent等軟件對其不同葉輪數(shù)量、葉片角度和葉片長度下的轉(zhuǎn)速進行了研究。目前，國內(nèi)外對于小型管道水力發(fā)電的研究與實驗已經(jīng)趨于成熟。根據(jù)管道水輪機轉(zhuǎn)軸與管內(nèi)流體介質(zhì)的夾角，可將其劃分為垂直型和水平型。在垂直軸水輪機的研究方面，2016年段巍釗[12]設(shè)計了一款微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)對自來水管網(wǎng)中的傳感器供電。胡卓煥[13]等人設(shè)計了一種安裝方便的垂直軸阻力型水輪機，用來代替減壓閥，消耗多余的壓力來進行發(fā)電，產(chǎn)生的電力供給住戶。水平軸水輪機的研究相對來說較少一些，2007年焦磊[14]等人針對大型工業(yè)油罐射流攪拌需要的驅(qū)動渦輪的動力輸出要求，搭建了通用性較好的管路液力渦輪動力性能試驗裝置。2015年盛傳明[15]等人利用簡化風(fēng)車?yán)碚搶λ啓C葉片進行三維設(shè)計，對海流能水平軸水輪機進行葉片設(shè)計。在湍流模型的選擇方面，熊朝坤[16]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型及壓力-速度校正算法在不同環(huán)境條件下對渦輪機模型進行數(shù)值模擬，通過對其蝸殼和尾水管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計提高其效率。鞏樊穎[17]鑒于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型在科學(xué)研究及工程實際中得到了最為廣泛的檢驗和成功應(yīng)用以及計算過程中收斂性好、計算速度快，在進行數(shù)值模擬時選用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。董爽[18]同樣也是選擇了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。肖騰[19]設(shè)計了一款水流發(fā)電系統(tǒng)用來解決城市供水管網(wǎng)低功耗設(shè)備的供電問題，在湍流模型的選擇中考慮到Realizablek-ε模型在各種復(fù)雜的情況下所反映的效果都不錯，因此選擇Realizablekε模型作為水輪機設(shè)計的湍流模型。但是RNGk-ε模型在計算時考慮到了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，適用于水輪機計算?？紤]到管道水流水體復(fù)雜，計算量較大，因此本文選擇RNGk-ε模型進行計算。在研究葉片以及轉(zhuǎn)角等方面，劉琪等人[10]設(shè)計了一種小型的管道水流發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)計了在管徑100 mm，流速1.5 m/s，管道壓力200 kPa條件下運行的葉輪結(jié)構(gòu)。最終通過綜合考慮了水頭損失、輸出功率和效率后選取葉片轉(zhuǎn)角53°，葉片數(shù)6片為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，此時系統(tǒng)輸出功率為35 W,效率為82.5%，同時水頭損失為0.356 m，水輪機轉(zhuǎn)速可達580 r/min，滿足供電需求。而后2021年[20]在考慮輸出功率為35 W，水頭損失不高于2%且效率高于80%，選取轉(zhuǎn)角為53°，數(shù)量為7的葉片的葉輪模型作為水輪機的葉輪，相較于上一次的6葉片模型做出了優(yōu)化。本研究根據(jù)水流管道特點，設(shè)置在水壓150 kPa，水流速度1.33 m/s，采取12mm內(nèi)管徑的四分管作為進出口水管的條件下進行仿真實驗。本文是在水壓150 kPa、水流速度1.33 m/s以及同樣采取12 mm內(nèi)管徑的四分管作為進出口水管的條件下進行仿真實驗，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)水輪機葉片為25片，水流方向與葉片夾角為75°時，為仿真實驗中的最優(yōu)組合，轉(zhuǎn)速能達到1 148 r/min。國外研究方面，希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)的Kougias[21]等人在2014年提出了在供水系統(tǒng)中實施微型水力發(fā)電的綜合解決方案。葡萄牙里斯本大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Irene Samora[22]等人在2016年提出了一種建設(shè)性的解決方案，該方案基于一種用于能量轉(zhuǎn)換的新型微型渦輪機-五葉片管狀推進器(five blade tubular propeller)。Misco-Hydropower在網(wǎng)絡(luò)中的位置由優(yōu)化算法確定，該算法在運行20年后使凈現(xiàn)值最大化。這些概念在瑞士弗里堡的Water supply systems進行了測試。印度尼西亞三一一大學(xué)的Ari Prasetyo[23]在3英寸的管道下研究了不同導(dǎo)葉傾斜角對Savonius管道水輪機功率輸出的影響。

本文根據(jù)管道水流特性和超微型水輪機參數(shù)以及實物模型，利用建模軟件建立不同葉片數(shù)和夾角的水輪機葉輪模型并劃分流體域。以計算流體力學(xué)（CFD）[15]為基礎(chǔ)，結(jié)合ANSYS CFD系列分析軟件為模型建立網(wǎng)格，并利用6DOF動網(wǎng)格計算方法[24]，在固定管徑、水壓、流速的條件下，用Fluent【25】瞬態(tài)計算出葉輪的轉(zhuǎn)動情況，并記錄葉輪轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速。計算葉輪的有效輸出功率，分析其流場，綜合考慮后選取最優(yōu)的葉輪模型。本文研究的超微型水輪發(fā)電機，借助管道高速水流發(fā)電，將電能存儲于電磁閥的供電電池中，有著綠色環(huán)保，節(jié)約成本等優(yōu)點，但存在著充電速度慢的問題。因此本文通過在仿真軟件中調(diào)整其轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量、葉片角度以及葉片長度對其葉輪轉(zhuǎn)速、有效輸出功率和流場進行研究，旨在找到提高發(fā)電效率的最優(yōu)組合方案。

1 試驗方法

1.1 超微型水輪機模型的建立

根據(jù)超微型水輪機實物繪制3D模型，并將其導(dǎo)入Design Modeler軟件中建立水輪機模型，使用ANSYS軟件包中的Mesh軟件對該模型進行網(wǎng)格劃分。選擇合適的湍流模型，確定管道水流雷諾數(shù)以及湍流強度。用彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)的方法更新動網(wǎng)格，設(shè)置計算方法、算法以及參數(shù)條件后開始計算。

1.1.1 超微型水輪機實物

超微型水輪發(fā)電機是一種小型的發(fā)電機器，其以水輪機為原動機，將水流沖擊的動能轉(zhuǎn)化為電能進行發(fā)電[26]。在進行灌溉時管道中的水流經(jīng)過水輪機，此時發(fā)電機的轉(zhuǎn)子被帶動起來將機械能轉(zhuǎn)換成電能，輸出的電能為電磁閥供電[27]。本文研究的超微型水輪發(fā)電機實物圖如圖1所示，其具有靜音高效、節(jié)能環(huán)保的特點，水流越快發(fā)電功率越大。

圖1 超微型水輪發(fā)電機實物圖Fig.1 Drawing of ultra-miniature hydro-generator

1.1.2 超微型水輪機三維模型

根據(jù)超微型水輪機實物在Design Modeler建模軟件中建立水輪機模型，軸徑為28 mm，葉片帶有一定的弧度，其頂部葉片與水流沖擊方向的夾角約為75°，轉(zhuǎn)軸長14 mm，葉片和轉(zhuǎn)輪長度一致。使用軟件模式功能，將葉片繞轉(zhuǎn)軸圓周復(fù)制。對于不同的葉片數(shù)，使葉片在轉(zhuǎn)軸上均勻分布。對于不同夾角，重新建立葉片模型，改變其葉片與水流沖擊方向的角度。對于不同的葉片長度，在增長葉片長度的同時等量縮小葉輪軸徑。根據(jù)實物圖，其接水管徑為4分管螺旋管徑，建立管徑為12 mm的進水管和出水管。如圖2所示，左邊水管為進水管，右邊水管為出水管，進出水管之間是圓柱形殼體，內(nèi)含水輪機葉輪。

圖2 超微型水輪發(fā)電機三維模型Fig.2 Three-dimensional model of ultra-miniature hydro-generator

由于后期使用6DOF動網(wǎng)格時，編寫UDF程序文件時需要模型相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)，需要對葉輪進行質(zhì)量估算，得出葉輪的質(zhì)量參數(shù)。將超微型水輪發(fā)電機的葉輪模型單獨提取出來并導(dǎo)入Soildworks中，使用其內(nèi)部的質(zhì)量評估程序，根據(jù)實物質(zhì)量設(shè)置其密度為0.429 萬kg/m3，記錄葉輪質(zhì)量、慣性張量、重心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)便于后續(xù)編寫UDF文件。

1.2 流體域的建立與網(wǎng)格劃分

在導(dǎo)入Fluent計算前，需要對模型進行流體域建立和邊界命名，先在葉輪外部建立比葉輪稍大一些的旋轉(zhuǎn)域，再對邊界進行命名，包括外部壁面Wall，內(nèi)部葉輪fan-wall，進口inlet，出口outlet，外流域outer fluid domain，內(nèi)流域（葉輪旋轉(zhuǎn)域）inner fluid domain。

葉輪質(zhì)量屬性: model的質(zhì)量屬性

配置: 默認(rèn)

坐標(biāo)系: 默認(rèn)

密度=429（kg/m3）

質(zhì)量=0.004（kg）

體積=0（m3）

表面積=4.8×103（mm2）

重心: (mm)X=0；Y=0；Z=0

慣性主軸和慣性主力矩: (kg·mm2) 由重心決定。

Lx=(0,1,0)Px=0.281

Ly=(0,0,1)Py=0.281

Lz=(1,0,0)Pz=0.431

慣性張量: (kg·mm2) 由重心決定，并且對齊輸出的坐標(biāo)系。

Lxx=0.431、Lxy=0、Lxz=0；

Lyx=0、Lyy=0.281、Lyz=0；

Lzx=0、Lzy=0、Lzz=0.281

建立流體域并進行邊界命名后，需要對模型進行網(wǎng)格劃分，見圖3。網(wǎng)格劃分是將整個模型劃分成大量微小的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格區(qū)間都進行方程計算，最后得出整個模型的物理量分布。因此網(wǎng)格劃分越密計算越精確，但是也會相應(yīng)的增加計算時間[28]。由于后續(xù)用到的6DOF動網(wǎng)格彈簧光順結(jié)構(gòu)適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，本文使用了ANSYS軟件包中的Mesh軟件進行網(wǎng)格劃分。考慮到于設(shè)備限制以及避免后續(xù)動網(wǎng)格變化時出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，對該模型劃分了2 W個網(wǎng)格單元。

圖3 使用Mesh軟件對網(wǎng)格進行劃分Fig.3 Mesh generation of the model

1.3 Fluent計算

1.3.1 湍流模型的選擇

在Fluent計算前，需要對流體仿真的湍流模型進行選擇，主要的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型以及k-ω模型。前三者的計算精度比較為：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型＜RNGk-ε模型＜Realizablek-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計算精度太差，Realizablek-ε模型計算精度雖然高，但是這種模型在計算旋轉(zhuǎn)滑動網(wǎng)格時計算效率低，k-ω模型一般用于可壓縮流體計算。而RNGk-ε模型在計算時考慮到了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，適用于水輪機計算?？紤]到管道水流水體復(fù)雜，計算量較大，因此選擇RNGk-ε模型進行計算。

1.3.2 邊界條件的確定

設(shè)置流場流體為液態(tài)水，設(shè)置Y軸重力加速度為-9.81 m/s2。

根據(jù)該超微型水輪機的特性，其要發(fā)出24 V以上電壓需要0.15 MPa以上的水壓，此時水流量為9 L/min，換算為每秒流量即為0.000 15 m3/s。

式中：Q為流量，m3/s；S為水管截面面積，m2；v為水流速度，m/s。

可得該流量在12 mm管徑中水流速度為1.33 m/s。本文選擇速度入口和壓力出口作為邊界條件，流速設(shè)為1.33 m/s，管壓設(shè)為0.15 MPa 。

在設(shè)置速度入口和壓力出口時，還需要對相關(guān)的湍流參數(shù)進行設(shè)置。本實驗計算的是旋轉(zhuǎn)流域，且水管為標(biāo)準(zhǔn)四分管，采用湍流強度和水力直徑作為湍流參數(shù)。對于圓柱形管道，其管徑可直接作為水力直徑進行計算，取水力直徑為12 mm，而湍流強度I可用以下公式得到

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度，取1 000 kg/m3；u為流體黏度，取0.001 kg/（m2·s）；v為流體速度，m/s；ReDH為用水力直徑計算出的雷諾數(shù)。

可得該環(huán)境下管道水流雷諾數(shù)為15 960，湍流強度為4.77%。

1.3.3 動網(wǎng)格模型的建立

在fluent瞬態(tài)求解中，由于水輪機葉輪在不斷旋轉(zhuǎn)，需要對旋轉(zhuǎn)區(qū)域添加動網(wǎng)格模型。本文采用彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)的方法更新動網(wǎng)格，在彈簧光順方式更新動網(wǎng)格的過程中，其網(wǎng)格邊界就像是有彈性的彈簧，動網(wǎng)格更新方式就像是彈簧在伸縮變化。在彈簧光順選項中，調(diào)整彈簧常數(shù)因子，彈簧常數(shù)因子的取值范圍為0～1，越接近0其動網(wǎng)格變化幅度越大，越接近1其變化區(qū)域越局限在網(wǎng)格外圍。根據(jù)葉輪實際情況，葉片只在整個葉輪模型外圍旋轉(zhuǎn)，變形幅度相對小，因此取彈簧常數(shù)因子為0.8。在網(wǎng)格重構(gòu)選項中，設(shè)置當(dāng)網(wǎng)格最小尺寸長度小于1 mm時，重構(gòu)網(wǎng)格，避免網(wǎng)格負(fù)體積的出現(xiàn)，使計算順利進行。選擇6自由度的動網(wǎng)格模型，打開隱式更新，確保計算曲線能夠收斂。根據(jù)葉輪質(zhì)量參數(shù)編譯6自由度動網(wǎng)格UDF程序文件，并將其導(dǎo)入Fluent中編譯。該葉輪的質(zhì)量為0.0 040 293 kg，X方向、Y方向、Z方向的慣性張量分別為0.00 000 043、0.00 000 028、0.00 000 028，該葉輪在Y、Z軸上旋轉(zhuǎn)鎖定，只繞X軸旋轉(zhuǎn)，在X、Y、Z方向上移動鎖定。設(shè)置葉輪壁面為動網(wǎng)格區(qū)域，動網(wǎng)格區(qū)域類型設(shè)置成剛體區(qū)域，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)域動網(wǎng)格被動跟隨葉輪旋轉(zhuǎn)。對于不同的葉輪模型，由于其葉輪質(zhì)量參數(shù)改變，需要重新編譯6自由度動網(wǎng)格UDF程序文件。

六自由度動網(wǎng)格udf程序文件:

#inchde "udf h"

DEFINE_SDOF_PROPERTIES(retator,prop.dt.time.dtime)

{

prop[SDOF_MASS]=0.0040293;

prop[SDOF_IXX]=0.00000043;

prop[SDOF_IYY]=0.00000028;

prop[SDOF_IZ.Z]=0.00000028;

prop[SDOF_ZEROROT_Y]=TRUE;

prop[SDOF ZERO ROT Z]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_TRANS_X]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_ TRANS_Y]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_ TRANS_Z]=TRUE;

}

1.3.4 Fluent計算設(shè)置

將文件導(dǎo)入Fluent中，設(shè)置入口流速1.33 m/s，管壓0.15 MPa，湍流強度4.77%，水力直徑12 mm。設(shè)置計算方法為SIMPLE，采用二階迎風(fēng)算法，對于旋轉(zhuǎn)運動，此方法比一階算法有著更高的精確度，對邊界條件進行初始化后，設(shè)置時間步長為0.000 1 s，最大迭代數(shù)40，時間步數(shù)20 000步，開始計算。

2 結(jié)果分析

2.1 水輪機轉(zhuǎn)速及有效輸出功率分析

由于該模型的質(zhì)量主要分布在轉(zhuǎn)軸，葉片質(zhì)量輕，每次改變模型只改變?nèi)~片區(qū)域，對其總質(zhì)量幾乎沒有影響。分析其不同模型轉(zhuǎn)速大小便能近似得出水流對水輪機出力大小，從而判斷何種模型發(fā)電速度最快。因此這里先對不同葉輪數(shù)的葉輪模型瞬態(tài)計算穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速進行分析，通過Fluent瞬態(tài)計算得到穩(wěn)定的計算結(jié)果后，記錄葉輪轉(zhuǎn)速并觀察流場情況進行分析。

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，繪制出轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)量的關(guān)系圖，見圖4。

圖4 水輪機葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.4 Relationship between Blade number and speed of hydraulic turbine

由圖4可知，水輪機轉(zhuǎn)速在葉片數(shù)為6片和10片時轉(zhuǎn)速接近，在增加到15片時其轉(zhuǎn)速得到一次小幅度的提升，在增加到20片時，水輪機轉(zhuǎn)速明顯加快，但當(dāng)增加到30片時水輪機轉(zhuǎn)速驟減。該流場流態(tài)復(fù)雜，其水輪機轉(zhuǎn)速規(guī)律難以確定，水輪機轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)在一定范圍內(nèi)存在著遞增的趨勢。但是超過一定范圍后轉(zhuǎn)速驟減，可能是由于葉輪過密，葉輪間縫隙過小，導(dǎo)致水流對葉輪的作用力變小，20片和25片葉片數(shù)的水輪機轉(zhuǎn)速明顯快于其他葉片數(shù)的水輪機。為了節(jié)約軟件計算時間，后續(xù)只對20葉片和25葉片數(shù)的水輪機進行重點分析。

對不同葉片夾角的葉輪模型進行瞬態(tài)計算，根據(jù)模擬分析的結(jié)果，繪制出葉片角度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，見圖5。得出當(dāng)水輪機葉片與水流沖擊方向夾角為75°時，葉輪轉(zhuǎn)速最快，且明顯優(yōu)于其他情況，說明該角度的葉輪的合力矩明顯高于其他角度的葉片，選定角度為75°的葉輪夾角為該模型最優(yōu)葉輪夾角。

圖5 水輪機葉片角度和轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.5 Relationship Between Blade angle and speed of hydraulic turbine

增加葉片長度再對葉輪模型進行分析，在增加葉片長度的同時縮小其葉輪軸徑，使葉輪模型的大小不變。根據(jù)模擬分析的結(jié)果，見表1，發(fā)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速與其葉片長度的關(guān)系不大。

表1 25葉片90°角時不同葉片長度的水輪機轉(zhuǎn)速Tab.1 25 blade turbine speed at 90° angle

只要得出水輪機的力矩和角速度便可得由下式得出水輪機有效輸出功率。

式中：N為水輪機有效功率；M為轉(zhuǎn)輪力矩；ω為葉輪角速度；n為葉輪轉(zhuǎn)速。

由Fluent軟件中的計算監(jiān)控功能，得出葉輪fun-wall 繞X軸的力矩，并在動網(wǎng)格模型記錄中得出葉輪的轉(zhuǎn)動角速度。由表2可知，25葉片數(shù)的水輪機有效輸出功率更高。

表2 20葉片和25葉片下的水輪機最大有效輸出功率Tab.2 Maximum effective output power of turbines under 0 blades and 25 blades

2.2 Fluent流場分析

模擬計算完成后，在fluent后處理中可得到整個系統(tǒng)運動的云圖，圖6為流場速度云圖，圖7為流場壓力云圖，圖8為流場跡線圖。就25葉片水輪機的流場云圖展開分析。在YZ平面上建立新面plane，設(shè)置云圖顯示在plane面以及葉輪funwall上。

圖6 流場速度云圖Fig.6 Flow field velocity nephogram

圖7 流場壓力云圖Fig.7 Flow field pressure nephogram

圖8 流場跡線圖Fig.8 Flow field diagram trace diagram

觀察圖6流場速度云圖，水流在邊界流速緩慢，在水輪機葉輪周圍由于水輪機高速旋轉(zhuǎn)帶動水流高速運動，但越接近葉輪軸心，水流速度越慢。觀察流場壓力云圖，見圖7，流場壓力在靠近水輪機處開始減少，在葉輪附近形成低壓區(qū)，且在經(jīng)過葉輪后壓力穩(wěn)定減少了約1 kPa，這是水輪機旋轉(zhuǎn)造成的水頭損失。觀察流場跡線圖（圖8），在葉輪處形成了明顯的漩渦，符合實際情況。

3 討 論

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出和發(fā)展，智能灌溉系統(tǒng)發(fā)展迅速，解決灌溉系統(tǒng)供電是其中的一個關(guān)鍵問題。本文針對用于智能灌溉電磁閥的一種超微型水輪發(fā)電機進行研究，其利用灌溉管道中的高速水流推動水輪機葉片轉(zhuǎn)動，將管道流水的動能轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)機械能，進一步帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動將機械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實現(xiàn)水流動能向電能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機發(fā)出的電量可以為蓄電池充電，保證智能灌溉電磁閥的長期穩(wěn)定運行。本研究改變超微型水輪機的葉片數(shù)量和葉片角度對其進行模擬仿真，用農(nóng)業(yè)灌溉中大量使用的12 mm內(nèi)管徑的四分管作為進出口水管，用軟件建立合適的葉輪模型，在1.33 m/s的水流速度和150 kPa的水壓進行計算機軟件模擬，得出各葉片數(shù)的水輪機葉輪轉(zhuǎn)速，對比其有效輸出功率，最后選定25葉片數(shù)、葉片與水流方向夾角75°的組合方案。但該實驗仍存在許多不足，該實驗簡化了水輪發(fā)電機模型，只考慮了葉輪結(jié)構(gòu)，沒有考慮其他連接件摩擦力等對整個系統(tǒng)的影響，只研究了在特定條件下改變?nèi)~片數(shù)量的特定水輪機模型，不能代表其他環(huán)境下以及其他結(jié)構(gòu)的葉輪模型此時的葉片數(shù)量是最優(yōu)解，并且該實驗使用計算機軟件模擬分析，與真實的農(nóng)場環(huán)境還是存在著許多區(qū)別。葉片設(shè)計理論以及超微型水輪機發(fā)電系統(tǒng)的研究，不僅可以解決智能灌溉電磁閥的供電問題，其在智能家居等領(lǐng)域也能得到充分的利用，值得繼續(xù)深入研究。

4 結(jié) 論

本文在限定流速、管壓等條件下，利用FLUENT計算，重點研究12 mm內(nèi)管徑的四分管微型管道水輪機轉(zhuǎn)輪的設(shè)計。得到了以下的結(jié)論：

（1）在葉片數(shù)為6～20片時，轉(zhuǎn)速隨著葉片數(shù)量的增加而增加，但是當(dāng)增加到30片時水輪機的轉(zhuǎn)速明顯下降，可能是由于葉輪過密，葉輪間縫隙過小，導(dǎo)致水流對葉輪的作用力變小。

（2）實驗得出在葉片夾角為75°時轉(zhuǎn)速最快，增加葉片的長度并不能影響轉(zhuǎn)速，因此發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和葉片的長度關(guān)系不大。通過Fluent軟件中的計算監(jiān)控功能得到葉輪fun-wall繞X軸的力矩，發(fā)現(xiàn)25片葉片數(shù)的水輪機有效輸出功率最高。本文最后選取葉片數(shù)25片，葉輪轉(zhuǎn)角75°的最優(yōu)組合，轉(zhuǎn)速達到1 148 r/min。研究表明，通過調(diào)整葉片的數(shù)量以及夾角可以提高微型水輪機的發(fā)電效率以及發(fā)電量，從而滿足智能灌溉系統(tǒng)的供電需求。