導流板對Savonius型海流發電葉輪的影響分析

宋保維, 楊 莼, 田文龍

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導流板對Savonius型海流發電葉輪的影響分析

宋保維, 楊 莼, 田文龍

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

Savonius型葉輪是應用最廣泛的海流發電葉輪之一, 其成本低、自啟動性較好, 但是發電效率較低。為了提高Savonius葉輪的發電效率, 提出了在Savonius葉片上增加3塊導流板的新型垂直軸式葉輪的設計方案。為了探索導流板對葉輪的發電性能影響, 利用商業計算流體力學(CFD)軟件FLUENT分析了葉輪在不同旋轉速度下的發電特性, 采用滑移網格技術對葉輪進行了2D非定常數值流體計算, 分析了在工作環境下葉輪的速度場、壓力場的基本特點。計算結果表明, 該葉輪在尖速比=0.9時獲得最大平均功率系數0.481, 其發電效率大約比Savonius葉輪高10%～20%左右。

垂直軸式葉輪; Savonius葉輪; 導流板; 滑移網格; 計算流體力學

0 引言

Savonius葉輪是應用最廣泛的垂直軸式葉輪之一。Kamoji M A等對Savonius葉輪幾何參數對葉輪性能及靜力矩效率的影響作出分析[1]; Afungchui D等從理論方面對Savonius葉輪的非線性瞬態勢流進行了研究, 并對其流體動力進行了預測[2]; Saha U等通過水洞試驗對Savonius葉輪的結構參數進行了優化設計[3]; Shigetomi A等研究了2個Savonius葉輪之間的干擾問題[4]; Golecha K等對安置在Savonius葉輪上產生最大功率的導流板的最佳位置問題進行了研究[5]; Mohamed M等對導流板進行了優化設計[6]。

本文提出利用導流板增加Savonius葉輪效率的設計方案, 分別針對兩葉片Savonius葉輪和導流板結合的新型葉輪, 研究了葉輪旋轉速度對葉輪發電性能的影響, 分析了其在工作環境下的速度場、壓力場和流場的基本特性, 為海流發電裝置優化設計提供理論參考依據和必要數據。

1 導流板設計

如圖1所示, 3塊導流板分別設置在Savonius葉片周圍, 垂直于葉輪中心, 導流板之間間隔120°。

圖1 新型垂直軸式葉輪示意圖

2 計算模型

2.1 物理模型簡化

由于采用直葉片, 可以忽略葉片沿徑向變形的影響, 從而選用展長為500 mm的Savonius葉片和板長為500 mm的導流板進行2D數值仿真分析。在數值計算過程中, 為降低計算量而又不影響計算精度, 去掉對數值計算不必要的結構特征, 僅保留葉片部分。

圖2為垂直軸海流發電裝置在來流沖擊下以角速度勻速轉動的情形, 葉片繞中心軸轉動。2D簡化結構主要參數如表1所示。

表1 新型垂直軸式葉輪裝置簡化結構主要參數

圖2 2D計算簡化結構示意圖

2.2 計算域選取及邊界條件設置

如圖3所示, 計算域由外部靜止域(station domain)和內部旋轉域(rotating domain)組成, 葉片包裹于旋轉域內。為了讓來流發展充分并避免由于計算域過小而對計算結果產生誤差, 計算域采用半圓與矩形結合的方式, 葉輪裝置上游的半圓半徑為3倍葉輪直徑, 葉輪裝置下游長度和寬度均為6倍葉輪直徑。

2.3兩組患者不良反應發生情況比較 觀察組出現失眠1例,心動過速1例,嗜睡2例,不良反應發生率為10.81%;對照組出現低血壓2例,心動過速1例,便秘1例,嗜睡1例,體質量增加3例,血糖升高3例,不良反應發生率為29.73%;兩組比較差異有統計學意義(X2=4.097,P=0.043<0.05)。

圖3 計算域和邊界條件設置

Fig. 3 Computation domain and boundary condition

計算區域的邊界: 靜止域與旋轉域的交界設為滑移交界面邊界(interface), 半圓入口邊界設為速度入口邊界(velocity_inlet), 出口邊界設為自由流出口(outflow), 上下靜止域邊界設為滑移壁面邊界(wall), 葉片邊界均設為滑移壁面, 并在旋轉域設定旋轉角速度。

2.3 網格生成

本文利用GAMBIT軟件完成計算域網格劃分工作。由于結構化網格具有占有內存少的優點, 且對邊界層計算非常有利, 所以對靜止域和旋轉域均采用結構化網格, 并在葉片和導流板上進行局部加密, 以提高計算精度。整體網格數量約為30 000。網格劃分如圖4和圖5所示。

圖4 靜止域網格劃分

圖5 旋轉域網格劃分

2.4 控制方程及湍流模型

流動問題都必須滿足質量守恒定律和動量守恒定律, 按照定律可以提出相關的質量守恒方程與動量方程(-方程)

計算基于Standard模型, 與和對應的運輸方程為

Standard-模型適用于涉及快速應變、中等渦、局部轉換的復雜剪切流動, 在旋轉機械的旋轉流場計算情況下有較高的可信度和精度。

2.5 求解設置

本文用數值方法直接求解2D不可壓粘性流體的RANS方程, 微分方程的離散采用基于單元中心的有限體積法, 非平衡壁面函數的近壁面處理和2D穩態分離解法的隱式解法。在控制方程的離散格式選擇上, 壓力插值采用便于計算的Standard格式, 壓力速度耦合使用計算量較小易于收斂的SIMPLE算法。為了提高計算精度, 減小計算結果的偏差, 動量方程、紊動能方程和耗散率方程均采用2階迎風格式。

每種工況下計算5個旋轉周期, 每個旋轉周期設定180個時間步, 即每時間步長內旋轉域轉動2 o。每個時間步長內迭代100次。流場的連續性、和方向的分量紊動能方程及耗散率的殘差收斂標準設為1×10-5。

2.6 數值方法驗證

為驗證本文數值方法的有效性, 對常規兩葉片Savonius風力發電機葉輪進行數值仿真計算, 如圖6所示, 計算不同旋轉速度時所受平均力矩, 通過對比本文仿真計算結果和試驗數據以驗證本文數值計算方法的有效性。葉輪詳細幾何參數及來流速度見文獻[7]。

圖6 兩葉片Savonius葉輪截面圖

將計算結果和Hayashi T等所做的風洞試驗結果進行了對比[7], 結果如圖7所示。分析可知, 本文數值仿真計算結果與試驗結果較為吻合, 尤其是當時。仿真結果總體上略高于試驗結果, 這可能是因為采用2D數值計算并未考慮壁面影響以及3D葉片葉尖的損失。

圖7 仿真結果與風洞試驗結果對比

3 計算結果與分析

對葉輪分別進行了2D定常和非定常計算。為消除尺寸影響, 便于分析, 定義如下無量綱系數。

尖速比系數

力矩系數

功率系數

式中:為葉輪旋轉速度;為來流速度,=1 m/s;為水流密度,1000kg/mm2;為葉輪半徑,500mm;為葉輪特征迎風面積, 定義2, 在2D計算時=1 m。

保持來流速度恒定, 對尖速比系數0.05, 0.1, 0.15, …, 1.5的30種情況進行了計算。周期內葉輪平均力矩系數隨的變化關系見圖8。當=0.3時, 平均力矩系數出現最大值; 隨著的增加, 平均力矩系數逐漸下降。與未增加導流板的Savonius葉片對比, 平均力矩系數有了較大提高。

為0.5, 0.7, 0.9和1.1這4種情況下單葉片的力矩系數隨旋轉位置的變化關系如圖9所示。從圖中可以看出, 當0.9時,越大, 葉片力矩系數曲線越高; 當0.9時,越大, 葉片力矩系數曲線越小。隨著的增加, 力矩系數先增加, 在30°附近出現最大值, 隨后力矩系數劇烈下降, 在=140°附近出現最小值。葉片力矩系數在=[90°, 140°]的區間內出現小幅波動。在>140°的范圍內, 不同對應的力矩系數曲線差別不大, 呈上升趨勢。