小型水流能發電裝置設計與仿真

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(1.國網湖北省電力公司 恩施供電公司，湖北 恩施 445000；2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063；3.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000)

水流能源具有清潔、無污染、可再生等特點，被逐漸開發并轉化為機械能、電能等形式。在許多流速較低水域，監控、導航設施都需要一個獨立的電源系統維持其正常工作，依靠人工充電比較困難，成本也很高[1-2]。為適應低流速水域，以低速啟動且輸出較大轉矩的水流能發電機技術，是當前有待重點研究和開發的新能源技術之一[3-6]。文中針對低流速(≤2 m/s)水域，設計開發達里厄型垂直軸式水流能發電裝置，與水庫式和水平式等傳統發電裝置相比，具有更靈活、更有創新空間和發電效率更高等優點；適用于躉船或航標船，對船舶本身的結構強度及穩性影響較小。

根據設計經驗給定功率系數(水能利用系數)CP、葉輪實度σ,以及葉尖速比λ等參數，確定垂直軸式水流能發電裝置葉輪的幾何外形尺寸；然后采用CFD技術對該發電裝置的葉輪的水動力學和整機性能進行模擬仿真，進而對垂直軸式水流能發電裝置的設計方案進行檢驗和修正，使之盡可能地捕獲更多的能量[7]。

1 發電裝置設計

利用達里厄型垂直軸式發電裝置進行水力發電，主要確定垂直軸式水流能發電裝置葉片數、葉輪直徑、葉輪高度、葉片翼型、葉片弦長以及導流裝置[8-10]。

1.1 設計目標

針對水流速度較低水域，利用達里厄型垂直軸式水流能發電裝置將水流能轉化為電能，為該水域的監控、導航設施或躉船上的電力設備提供一個獨立的電源系統以維持其正常工作，其主要設計參數為功率100 W；水流速度1 m/s；傳動效率97%；發電機效率98%。

1.2 葉輪設計

1)功率。達里厄型垂直軸式水流能發電裝置從水流動能中捕獲的功率為

(1)

式中:P——發電機的實際功率，W；

ρ——水的密度，1.0×103 kg/m3；

S——葉輪迎水面積，m3，為葉輪直徑D以及葉輪高度H的函數；

v——上游流速，m/s；

CP——葉輪功率系數，由表1中可以查到H型達里厄型葉輪的功率系數為0.40，尖速比λ為5～6；

η1——傳動效率；

η2——發電機的效率。

表1 能量利用系數CP和葉尖速比λ

2)葉輪的高度。一般情況下，葉輪的高徑比H/D與葉輪高度H，以及葉輪直徑D之間存在的關系為H/D=0.8～1.2。

3)葉片。選取NACA XYZZ系列翼型。

4)葉片數。葉片數N一般在2～5片之間。

5)葉片弦長。葉片弦長L通常為

(2)

式中:R——葉輪半徑，m；

σ——葉輪實度，一般在0.1～0.6之間，本設計取σ=0.6；

N——葉片數。

6)葉尖速比。λ為葉尖速比，計算公式為

(3)

式中:n——葉輪轉速;

R——葉輪半徑;

v——上游水流速度。

由表1可以查到H型達里厄型葉輪的葉尖速比為5～6，設計中取λ=5.5。

通過以上設計步驟和公式，裝置結構見圖1，計算結果見表2。

參數數據類型H型葉片翼型NACA系列葉片數N3葉輪實度σ=NL/R0.6高徑比H/D1.0直徑D/m1.0高度H/m1.0葉片弦長L/m0.1葉尖速比λ5.5雷諾數Re3.6×106最大功率系數CPmax0.40葉輪額定轉速n/(r·min-1)105

若采用功率為300 W，速比為10，額定轉速為1 500 r/min的微型增速箱，傳動效率η1=97%，發電機的發電效率η2=98%，則該發電裝置捕獲水流動能功率可用式(1)計算得

結果大于100 W，滿足供電要求。

2 水翼葉片動力學及其仿真

達里厄型垂直軸式水流能發電裝置的葉片是將水流能轉化為機械能的關鍵零部件，其翼型對發電效率會產生比較明顯的影響，因此有必要對發電裝置葉片翼型的選型進行研究探討[11]。利用Fluent仿真軟件，分析研究不同葉片翼型在相同葉尖速比的升阻比，選擇合適的葉輪翼型；針對選中的葉輪翼型進行水動力學分析[12]。

2.1 幾種典型翼型的升阻比

選取NACA XYZZ(X-相對彎度，Y-最大彎度位置，ZZ-相對厚度)系列翼型,是美國NACA最早建立的低速翼型，具有較高的升力系數和較低的阻力系數。為選擇合理的翼型，以水動力學為理論基礎，利用Fluent軟件對3種翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412的升阻比進行仿真計算，從而選擇合適的翼型。

選取相同來流速度1.0 m/s，雷諾數3.6×106，在不同攻角(0～20°)時，經過計算分析得到3種翼型NACA0012、NACA0018和NACA4412在不同攻角下的升阻比，見圖2。

圖2 3種翼型的升阻比

由圖2可見，當攻角在0°～6°時，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加而增加；當攻角在6°～15°時，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加先減小后增大，攻角在10°左后時，出現波谷；然而當攻角在15°～20°時，3種翼型的升阻比均隨攻角的增加而減小。總體而言，當攻角為15°時，3種翼型的升阻比到達最大值。比較得到，在攻角相同的情況下，NACA4412的升阻比均要大于其他兩種翼型葉片的升阻比，說明其水動力學性能好于其他兩種，因此選擇NACA4412翼型葉片為本設計中的葉片。

2.2 NACA4412葉片水動力學分析

2.2.1 邊界條件

選取來流速度0.5 m/s，雷諾數3.6×106，攻角為15°，利用Fluent對NACA4412翼型葉片進行水動力學分析。

1)劃分網格[13]。選擇網格類型Pave，設置 Internal Size=0.02，葉片周圍網格采用自適應的四邊形網格。網格劃分結果：Pave size為0.02，Mesh Faces為18 878。

2)設置翼型外部流場。流場長度20L(L為葉片弦長)，高度6L。流場速度入口距離翼型左端6L，流場出口距離葉片尾端14L，上下邊緣距離葉片分別為3L，圖3為葉片的網格劃分和邊界條件加載。

圖3 導入Gambit中的幾何翼型

2.2.2 仿真結果分析

經過Fluent求解處理器求解計算得到NACA4412翼型葉片在水流場中的速度分布云圖(見圖4)和壓力分布云圖(見圖5)。

圖4 流場速度分布云圖

圖5 壓力分布云圖

從圖4可見，NACA4412翼型葉片上表面最大速度為0.556 m/s，周圍無分離渦出現，說明其水動力性能較好，能很好地將水流能轉換成電能。

由圖5可見，在葉片上下表面有兩個等壓環，其中下表面的等壓環壓力值要大于上表面的等壓環壓力值，其中最大靜壓力為270.243 Pa，最小為-49.657 Pa。上下表面的壓力差是葉片升力的來源，當葉片以一定攻角在水中轉動時，升力的分力提供水流能發電裝置葉片的轉動力矩。

仿真結果表明，葉片上下表面的壓力差較大，能為水流能發電裝置葉片提供較大的轉動力矩。

綜合分析圖4和5，葉片上表面，前沿上部水流速度急劇增大至最大值，葉片上表面的壓力也急劇縮小，此時極易產生氣蝕現象。這種現象在水流發電機葉片葉端的高速減壓區經常發生，使金屬表面上的保護膜被破壞，從而加快了腐蝕速度。在葉片的設計和加工過程中可以采取以下方法減小或避免氣蝕現象[14]：①葉片表面采取流線型設計，減小或避免局部渦流和擾動現象，從而有效地防止氣泡的產生；②減小葉片表面的粗糙度；③葉片表面進行噴涂處理，增加其耐腐蝕性；④選擇高強度、高韌性的金屬材料，能夠有效地提高抗氣蝕能力。

3 導流裝置設計及水流發電機整體仿真

利用Fluent的MRF(moving reference frame)模塊，模擬簡化的達里厄型垂直軸式水流能發電裝置葉輪和周圍水流速度關系，驗證設計方案的可行性，同時考察裝有導流裝置的水流能發電裝置運行時周圍流場的布置情況[15]。

3.1 水流能發電裝置葉輪流場分析

此發電裝置選用NACA4412翼型，由3片葉片以120°夾角均勻布置在主軸周圍，轉速為105 r/min，逆時針旋轉，來流速度1.0 m/s，雷諾數為3.6×106，攻角15°。利用Fluent中的MRF模塊對垂直軸式水流能發電裝置葉輪進行流場分析。

1)網格劃分。選擇四邊形網格(uad)分別對外部圓環和內部小圓進行網格劃分，Internal size為0.2，網格圖見圖6。

圖6 三葉片水流能發電裝置網格劃分

2)邊界類型和區域類型。兩圓環交界處邊界類型設置為Wall,外部圓環和內部圓環分別設置為Fluid1和Fluid2，見表3。

表3 水流能發電裝置整體仿真邊界條件設置

經過Fluent求解處理器計算得到流場速度云圖見圖7。可以看出水流能發電裝置葉片所在區域的速度較大，向區域內外速度逐漸減小，中心點的速度接近于0；其次，葉片所在區域的速度變化也較快，說明此水流能發電裝置葉輪區域水流速度分布與實際情況相符。

圖7 水流機葉輪水流速度流場云圖

3.2 導流裝置設計及數值仿真

為了提高水流能的利用率，增大與葉輪接觸區域的水流速度，在葉輪所在區域設置一個導流罩，以期獲得更大的水流能量和力矩。為了驗證導流裝置對垂直軸式水流能發電裝置流速及流場的影響，在3.1的基礎之上，利用Fluent中的MRF模塊對帶有導流罩的垂直軸式水流能發電裝置進行仿真分析，選取來流速度1.0 m/s，雷諾數3.6×106，水流速度攻角15°，逆時針旋轉。考慮工程實際情況，在Fluent中繪制流場幾何圖形，選擇自適應四邊形網格對流場區域進行網格劃分，見圖8。

圖8 流場網格劃分

在Fluent中進行迭代計算得到垂直軸式水流能發電裝置的流場速度云圖，見圖9。

圖9 整體流場速度云圖

從圖9中可以看出，在葉輪與導流裝置的間隙，水流的速度得到了較大的提高，最大值達到了1.69 m/s，說明導流罩的設置起到了加速水流的作用。但從其后部的流場分析，導流裝置分散了一定的來流水力動能，水流能發電裝置尾部出現漩渦分離，降低水動力性能。

4 結論

達里厄型垂直軸式水流能發電裝置中葉片的翼型對發電機獲能效率有重要影響，合適翼型的葉片能夠明顯地提高其發電效率；導流裝置的設置提高了與水流能發電裝置葉片接觸區域水流的速度，能夠有效地增加發電裝置捕獲水流動能的效率，但對流場能量的耗散有一定的影響；利用Fluent數值計算方法可以有效地檢驗現有達里厄型垂直軸式水流能發電裝置設計指標和性能。本文設計研究的垂直軸式水流能發電裝置能很好地滿足設計要求，其設計方案和數值計算方法為合理利用低速水流能轉化電能提供了參考和理論依據。

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