三維豎軸潮流水輪機水動力性能研究

高 杰 龔希武 張 恒

（浙江海洋大學 船舶與海洋工程學院 舟山316022）

三維豎軸潮流水輪機水動力性能研究

高 杰 龔希武 張 恒

（浙江海洋大學 船舶與海洋工程學院 舟山316022）

豎軸水輪機作為潮流能轉換為電能的核心裝置，其水動力性能的優劣將會直接影響到整體發電系統的效率。為了研究大型豎軸水輪機葉片安裝角對水輪機水動力性能的影響，基于多參考系模型（MRF），采用Fluent軟件對流場中的模型進行3D數值模擬。在轉速和來流速度保持不變，改變安裝角時，分析同種翼型5個不同安裝角葉片對潮流能水輪機的水動力性能的影響。同時分析在同一安裝角和旋轉速度條件下，不同來流速度對水輪機水動力性能的影響。結果表明，葉片安裝角對豎軸潮流水輪機的能量利用率影響較大，來流速度對水輪機葉片表面的靜壓力和輸出功率具有一定的影響。研究結果對今后豎軸水輪機的設計和生產具有借鑒意義。

潮流能水輪機；水動力性能；安裝角；流速；數值模擬

引 言

隨著社會經濟的快速發展，人類在生產生活中對能源的需求與日俱增，以化石能源為主的能源日益枯竭，與此同時，人類的生活環境也遭到前所未有的污染。由于潮流能具有無污染、儲存能量高、可再生且具有可預測性等特點，豎軸潮流能水輪機作為潮流能轉換為電能的核心裝置，啟動方便，工作不受來流方向改變而受到影響，得到了廣泛應用［1］。目前，豎軸潮流能水輪機水動力特性的研究方法主要有動量定理法［2］、渦方法［3］以及基于雷諾平均Navier-Stocks方程求解N-S方程的CFD方法［4］。為設計出工作效率更高的潮流能水輪機，很多研究者對水輪機豎軸進行過大量研究。付士鳳［5］基于滑移網格分析了不同翼型對潮流能水輪機內部流場和水動力性能的影響。張亮［6］建立了葉片偏角變化規律的數學優化模型，從而提高了水輪機的能量利用率。朱萍［7］同樣運用滑移網格對垂直軸水輪機流場進行過數值模擬。但是對于豎軸水輪機，其研究的主要是直徑不超過3.5 m的小直徑水輪機，鑒于此種情況，文章在以上研究基礎上，建立了直徑為4 m的三維豎軸潮流水輪機，運用Fluent模擬軟件對比了在五種不同葉片安裝角時的水輪機功率系數，找出最佳安裝角，并在此基礎上分析了在不同來流速度下葉片及其周圍的壓力和速度變化，為以后進行模型試驗和葉片優化提供參考。

1 豎軸潮流水輪機模型建立

根據設計尺寸，運用Solidworks三維建模軟件建立水輪機模型（見圖1），并通過網格化軟件Gambit對模型進行網格劃分，采用非結構化網格，并用形狀函數對水輪機葉片周圍以及旋轉域進行網格加密（見圖2）。

圖1 豎軸潮流水輪機模型

圖2 計算域網格劃分

表1 三維豎軸水輪機模型參數

表1為該水輪機模型參數。對于豎軸水輪機，葉輪高徑比范圍在0.8 ～ 1.5，本文選1。采用Fluent軟件，設置流速V = 2 m/s、轉速ω = 1.4 rad/s。葉片安裝在0.30c～0.50c之間，水動力性能較好［8］，本文選取0.50c處。

2 邊界條件設置

入口采用Velocity速度入口，出口采用Pressure-out壓力出口，旋轉域與流場域通過Interface面實現流體的自由交流，求解器為基于壓力基，定常運動。選擇湍流模型標準的k-epsilon，水輪機葉片設置為Moving Wall，旋轉軸為Z軸。水輪機的旋轉模型選擇MRF模型，設定旋轉軸為Z軸、旋轉點（0，0，0）和額定轉速1.4 rad/s。壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，離散化格式中壓力為Second Order Upwind二階迎風格式。

水電機組以流速 運轉時的雷諾數：

湍流強度的計算公式：

輸出功率：

功率系數：

橫截面積：

式中：M為轉矩，N·m；ω為旋轉角速度，rad/s；Cp為功率系數，h為葉片展長，m；D為水輪機直徑，m。

3 結果與分析

3.1 不同葉片安裝角時水輪機的水動力性能

如表2所示，在相同來流速度下，隨葉片安裝角的增加，水輪機的功率系數呈先增長后下降趨勢，且系數范圍在理想最大功率系數0.59范圍之內，符合實際水輪機工作狀況。

表2 不同葉片安裝角下的輸出功率以及功率系數

由表2可見，當水輪機安裝角在-11°時，功率系數相對較大；到-12°時，功率系數下降。下文將直接分析當安裝角由-7°～ -11°間的變化過程。

如下頁圖3所示，在水輪機轉速不變的情況下，隨著來流速度的增加，水輪機的功率系數逐漸減小。雖然安裝角不同，但其變化趨勢是一致的。可見，隨著安裝角由-7°～ -11°，水輪機的能量利用率逐漸增加，當安裝角達到-11°時，其轉矩以及輸出功率達到了最大值。根據式（4）可知具有對應最高能量利用率。

在不同葉片安裝角情況下，水輪機葉輪中心線處的靜壓力變化曲線基本一致，但是隨著安裝角的逐漸增加，水輪機迎流面與背流面的壓力差越來越大。葉片壓力面與吸力面之間的壓差越大、工作效率越高，說明在安裝角達到-11°時，水輪機工作效率最高，這與之前得到的論證相符合。下面將選擇安裝角為-11°的水輪機進行水動力性能分析。

3.2 速度與靜壓力曲線分析

Line-20過葉輪正中心的一條直線，Line - 21和Line - 22為過葉輪左右邊緣的兩條直線，下面是安裝角為-11°，速度為2 m/s時沿三條直線不同位置處的速度變化曲線和靜壓力變化曲線。

經圖5、圖6分析，在同一葉片安裝角、不同位置處，靜壓力和水流速度經過水輪機葉輪后均恢復至和原來數值。在水輪機葉輪中心線處，靜壓力有突變趨勢，因為葉片和輪轂正對水流，受到水流對葉輪的正壓力，于是葉輪壓力面的壓力瞬間升高；但是在葉輪背面，作為吸力面，靜壓力變為負值，正是由于葉輪壓力面與吸力面的壓力差，才會推動水輪機旋轉工作。在相同葉片安裝角時，在葉輪中心線處和葉輪兩個邊緣處，中心線處速度會先下降再上升，而兩側則不同，在下側速度先上升再下降，上側先下降再上升。這與水輪機葉片的轉動方向有關，來流方向與水輪機轉動方向相反時，速度會先下降再恢復，而與水輪機轉動方向相同時，速度會先上升再恢復。朱萍［7］的研究也印證了這一點。

圖3 功率系數隨安裝角變化

圖4 不同葉片安裝角時水輪機中心線靜壓力變化圖

圖6 速度變化曲線

圖7 不同流速下靜壓力曲線

葉片安裝角為-11°時，不同來流速度下的葉輪中心線處的靜壓力變化為：若水輪機葉輪前后壓力完全相同，當遇到水輪機時，該處靜壓力均呈現出先突增再突減的狀態，但若是速度不同，其最大和最小靜壓力值也不相同。來流速度越大，最大靜壓力值越大，最小靜壓力值越小，水流速度越大能量越高，于是對水輪機葉片產生的表面靜壓力也就越大，與事實相符合。

3.3 速度云圖分析

速度云圖如圖8所示。當安裝角為-11°時，來流速度從1.5 m/s到3 m/s的過程中，整個流場區域尾流平均速度也越來越大，葉輪內部的擾動增強，尾流區域由平穩變得紊亂，流場中出現漩渦且漩渦作用范圍增大。來流速度的改變將會影響流場的分布和水輪機的旋轉，進而影響水輪機的輸出功率。

圖8 速度云圖

設置其他參數保持不變，改變來流速度，來流速度依次取為1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s。分別得出四種工況下水輪機的輸出功率，其功率輸出曲線如下頁圖9所示。

圖9 輸出功率曲線

4 結 論

（1）對于直徑4 m的水輪機，采用NACA0018翼型時，安裝角選擇-11°有較好的功率系數，使潮流能得到充分利用。

（2）當安裝角為-11°時，水輪機壓力面與吸力面的壓差值最大，壓差值越大水輪機工作效率越高。

（3）對于三葉片豎軸水輪機，其沿來流中心線處的壓力與葉片邊緣處的壓力不一致，這與水輪機旋轉方向同來流方向是否一致有關。

（4）在葉片安裝角相同時，葉片表面壓力差與來流速度有關。速度越大、壓力越大，所以在進行葉片材料選取和安裝時，要綜合考慮水域水流速度，以提高使用壽命。

（5）當葉片安裝角相同時，來流速度增加，水輪機輸出功率先增加后減小，這是由于來流速度過大，容易造成流場尾流紊亂，從而減小水輪機的輸出功率。

［1］汪魯兵.豎軸潮流水輪機水動力性能理論與實驗研究［D］.哈爾濱工程大學，2006.

［2］劉培檢.垂直軸水輪機水動力性能的數值模擬研究［D］.華南理工大學，2013.

［3］Li Y，Calisal S M.A discrete vortex method for simulating a stand-along tidal-current turbine：modeling and validation［J］.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2010（3）：1-9.

［4］李志川，張亮，孫科，等.垂直軸潮流水輪機數值模擬研究［J］.太陽能學報，2011（09）：1321-1326.

［5］付士鳳，李龍，鄧力，等.基于滑移網格的垂直軸潮流水輪機的三維數值模擬［J］.水電能源科學，2014（7）：140-143，119.

［6］張亮，羅慶杰，韓榮貴.垂直軸潮流能水輪機葉片偏角優化［J］.哈爾濱工業大學學報，2011（S1）：281-285.

［7］朱萍，成明.垂直軸潮流水輪機流場的三維數值模擬［J］.現代電力，2012（2）：68-71.

［8］李志川，張學偉，張亮，等.固定偏角垂直軸潮流能水輪機葉片安裝位置試驗研究［J］.可再生能源，2012（4）：37-41.

On hydrodynamic performance of three dimensional vertical shaft tidal current turbine

GAO Jie GONG Xi-wu ZHANG Heng
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

Vertical shaft turbine is the core device of the tidal energy conversion to electric energy，and its hydrodynamic performance will directly affect the efficiency of the whole power system.The 3D numerical simulation for the model in the flow field is carried out by Fluent with the multi reference system model（MRF）to research the influence of the installation angle of the large vertical shaft turbine blade on the hydrodynamic performance of the turbine.The influence of the blade installation angle on the hydrodynamic performance of the tidal current energy turbine is analyzed with five different blade installation angle but the same foil shape by keeping constant rotating speed and flow rate.The influence of inflow velocity is also analyzed with different rotating velocities but the same installation angle.The results show that the blade installation angle has a great influence on the energy utilization rate of the vertical shaft tidal current turbine，and the inflow velocity has a certain influence on the static pressure and the output power of the turbine blade surface.It can provide references for the design and production of the vertical shaft turbine in future.

tidal current energy turbine； hydrodynamic performance； installation angle； flow rate； numerical simulation

TK73

A

1001-9855（2016）05-0022-06

國家自然科學基金：海上風能/潮流能互補發電浮式基礎載荷與運動響應研究（編號：No.51579223）。

2016-06-25；

2016-07-13

高 杰（1990-），男，碩士，研究方向：海上潮流能發電。龔希武（1973-），男，副教授，研究方向：海上潮流能發電。張 恒（1987-），男，碩士，研究方向：海上潮流能發電。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.022