圓柱形發電裝置和立管式海洋平臺位置的優化

仲 夏 包勝平

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

海洋能是一種清潔的可再生能源，取之不盡用之不竭，資料表明，全球海洋能約500億kW.采用新型圓柱形浪潮流發電裝置能有效地將海洋能轉換為電能，并將電能提供給立管式海洋平臺，因此浪潮流發電裝置與立管式海洋平臺構成取能－換能－用能的統一系統.海洋平臺下方共4根立管，呈正方形分布；海洋平臺周邊有4個圓柱形浪潮流發電裝置，該發電裝置不僅能為海洋平臺提供電能，還能減小水流對海洋平臺立管的沖擊作用.

現在很多學者在研究單圓柱方面主要開展不同雷諾數的圓柱繞流情況，以及圓柱的渦激振動；但是對于圓柱繞流不僅有單圓柱情況，也有相同大小圓柱的相互干擾問題.本文圍繞實際問題——立管式海洋平臺垂向螺旋槳式浪潮流發電系統相對位置優化的簡化模型展開研究，優化的目的主要是減少水流對海洋平臺立管的沖擊作用，而對圓柱形發電裝置的受力不做研究，因為圓柱形發電裝置即使不和立管作為一系統布置，也會受到同樣的水流作用力.

1 新型圓柱形浪潮發電裝置簡介

本裝置為圓柱形，見圖1.當所在水域出現浪潮流時，圓柱空腔壁內水位上升，推動對稱槳，使其產生周向誘導速度，從而進行旋轉，將水的動能轉變成對稱槳的動能，進而帶動鏈條式能量轉換器相應的一條鏈條進行傳動，最終使其相應的發電機進行發電；當浪潮流退去，圓柱空腔壁水位下降，推動對稱槳，使其產生反向的周向誘導速度，從而進行反向旋轉，將水的勢能轉變成對稱槳的動能，進而帶動鏈條式能量轉換器另一鏈條進行傳動，最終使另一發電機進行發電.

2 單個立管的圓柱繞流計算

首先對立管的簡化模型——單圓柱進行繞流的二維流場模擬，取立管直徑0.01m，采用FLUENT軟件計算Re＝200（v＝0.020 08m／s）和Re＝10 000（v＝1m／s）時的單圓柱繞流，得出升力系數、阻力系數以及斯托羅哈數的變化規律，并將結果與已有文獻結果對比，證明該計算方法的可靠性.

圖1 新型圓柱形浪潮流發電裝置側視圖

本文主要求解雷諾數Re＝1 0 0和1 0 0 0 0時的圓柱繞流情況，Re＝100時圓柱繞流為層流繞流，Re＝10 000時，雖然圓柱后部為湍流流動，但是圓柱表面仍為層流流動，故在分析靜止圓柱本身受力時可以視為層流流動.

由連續性方程、動量方程可以得到描述二維不可壓縮粘性流體的基本方程：納維斯－斯托克斯方程（N－S方程）［1］

采用有限體積法對上述偏微分方程進行離散，然后用SIMPLE算法對離散方程進行求解，計算中時間推進采用一階隱式格式，空間離散采用二階迎風格式.觀察結果所用參數采用如下.

式中：Sr為斯托羅哈數，取決于結構的形狀斷面；f為旋渦脫落頻率；D為結構的特征尺寸（圓柱取直徑D）；U為來流速度.

式中：Cl，Cd分別為升力系數、阻力系數；Fl，Fd分別為單位長度結構（圓柱）上的升力和阻力.

2.1 計算Re＝200的圓柱繞流

考慮到計算精度，取D＝0.01m的圓柱作為計算模型.流動介質為水，密度ρ＝998.2kg／m3，粘性系數μ＝0.001 003kg／（m·s），來流速度U∞＝0.020 08m／s，其雷諾數Re為200.

將流場計算域定為：單圓柱繞流選取流場大小為進口距圓柱中心0.125m，出口距圓柱中心0.375m，上下邊界距圓柱中心各為0.125m，D＝0.01m.

采用Meshing軟件劃分流場網格，采用三角形網格，數值計算的邊界條件：入口為速度入口，出口是outflow出口，頂部和底部邊界為對稱面邊界條件，圓柱及阻隔板表面均為壁面無滑移條件，見圖2.

圖2 圓柱繞流流場的網格劃分

網格畫好后進入FLUENT計算，transient求解，采用laminar模式計算，時間步長設定為0.05s.所得結果見圖3～4.

圖3 Re＝200時的升力系數曲線

將計算所得結果和參考論文結果列于表1進行比較.

圖4 Re＝200時的阻力系數曲線

表1 量綱－的量參數對比（Re＝200）

通過對比可得，FLUENT在Re＝200的計算情況下是比較可靠的.

2.2 計算Re＝10 000的圓柱繞流（v＝1m／s）

網格畫好后進入FLUENT計算，transient求解，采用laminar模式計算（由于此雷諾數時圓柱處仍為層流泄渦），時間步長設定為0.005s，其他設置均同Re＝200的情況.

將計算所得結果和參考論文結果列于表2進行比較.

表2 量綱－的量參數對比（Re＝10 000）

通過2個雷諾數的計算，充分證明FLUENT計算圓柱繞流相關無因次參數的可靠性，圓柱上、下表面脫落的旋渦交錯出現，然后進入尾跡，形成著名的“卡門渦街”.基于此，將FLUENT用于雷諾數為10 000時新型圓柱形浪潮發電裝置和立管式海洋平臺系統相對位置的優化.在一定程度上使立管受力最小，從而起到保護立管的作用，延長立管的使用時間.

3 系統位置優化

一般發電裝置為多個，但取4個作為研究：（1）可以比較好的模擬實際；（2）將裝置和立管式海洋平臺呈中心對稱布置，不用考慮浪潮的多向性和多變性，便于運算.

在此基礎上有2種位置組合，如圖5，圖6.

圖5 位置組合一

圖6 位置組合二

如圖5和圖6所示，利用流場分析軟件ANSYS對這2種系統組合中的立管進行受力分析，并依據所受阻力大小為位置優化依據，同時和沒有發電裝置的情況進行比較，計算技術路線為：ANSYS建模—網格劃分—Fluent流場分析［8］.

3.1 ANSYS建模及網格劃分

一般海洋平臺立管直徑為0.25m，相鄰立管間的距離為10m，發電裝置中心到4個立管中心的水平距離為13m，將現實條件簡化進行模型的計算，參考文獻［2］海洋平臺立管模型直徑為0.01m，相鄰立管間的距離為0.4m，發電裝置中心到四個立管中心的水平距離為0.52m，速度取為1m／s，雷諾數即為10 000.將這2種系統組合在ANSYS分別進行建模，考察在圓柱形發電裝置的影響下立管所受阻力系數，并和無發電裝置時的立管受力進行對比分析.

3.2 FLUENT流場及受力

［5］選擇來流速度1m／s，進行立管在流場中的阻力系數的分析.

圖7為無發電裝置時立管阻力系數曲線圖，此時4個立管阻力系數值分別為：0.31，0.36，0.31，0.35，總阻力系數為1.33.

圖7 無發電裝置時立管阻力系數曲線圖

3.3 立管受力分析

現將3種情況的所受阻力系數列于表3進行對比（左上角為第1立管，右上角為第2立管，左下角為第3立管，右下角為第4立管.其他2種位置也按照此位置排列），見表3.

表3 三種情況的所受阻力系數對比

由表3可見：位置組合一立管所受阻力，小于無發電裝置時立管所受的阻力，優化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，同時在最大值比較上也比無發電裝置時較小（0.35＜0.36）；位置組合二立管所受阻力大于位置組合一立管所受阻力，相對無圓柱形發電裝置時立管所受阻力稍小，優化率η＝｜1.31－1.33｜／1.33＝1.5%，所以這種情況雖然也有優化的效果，但是不明顯.

4 結論與展望

1）通過采用FLUENT軟件計算Re＝200和Re＝10 000時的單圓柱繞流，得出升力系數、阻力系數以及斯托羅哈數的變化規律，將所得結果與已有文獻結果對比，證明了該計算方法在兩者雷諾數情況下的可靠性.

2）對發電裝置和海洋平臺組成的系統位置進行分析，比較3種情況的阻力系數，得出：位置組合一為系統位置優選解，均小于無發電裝置和位置組合二的立管所受阻力，優化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，能夠在一定程度上起到減小立管所受阻力，有效減少水流對立管的沖擊作用，保護立管，對生產實踐有一定的指導意義.

3）綜合3種情況，可以發現有圓柱形發電裝置擋住立管時，立管的受力在不同程度上減小了，如果能夠再將圓柱形發電裝置在位置上進行合理的優化，最終可求得一個使立管的所受阻力在最大程度上減小的位置，得出位置最優解.

通過分析雖然得出了系統布置的優選解——位置組合一，但是這只是在角度上的優化，接下來還應該基于此在距離方面進行優化，最終確定優選距離，使立管所受阻力最小，從而最大可能地保護立管.

參考文獻

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