浮潛式載體對(duì)潮流能水輪機(jī)性能的影響研究

王樹杰，于曉麗，李仁軍，袁　鵬，張以俊

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東　青島　266003；2.青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266000）

浮潛式載體對(duì)潮流能水輪機(jī)性能的影響研究

王樹杰1,2，于曉麗1，李仁軍1，袁鵬1,2，張以俊1

（1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266003；2.青島市海洋可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266000）

浮潛式載體是一種創(chuàng)新性的潮流能水輪機(jī)載體形式，在設(shè)計(jì)時(shí)，需在保證其上浮下沉及拖航穩(wěn)定性的同時(shí)，盡量減小載體結(jié)構(gòu)形式對(duì)其所搭載水輪機(jī)的影響。采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)兩種浮潛式載體結(jié)構(gòu)形式下水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及流場(chǎng)流速分布進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果表明：浮潛式載體中有無坡度對(duì)于水輪機(jī)的功率系數(shù)與軸向力系數(shù)影響很大，功率系數(shù)在提高的同時(shí)，軸向力系數(shù)也相應(yīng)的增加，因此在保證水輪機(jī)獲能的同時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性校核；水輪機(jī)在額定流速條件下，浮潛式載體的存在對(duì)于水輪機(jī)上游流速有一定的加強(qiáng)作用，有坡度浮潛式載體因其導(dǎo)流聚流作用將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機(jī)獲能和效率的提高。

水平軸潮流能水輪機(jī)；浮潛式載體；數(shù)值模擬；性能分析；流場(chǎng)分布

水平軸潮流能水輪機(jī)作為目前應(yīng)用最廣的潮流能轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)形式[1]，其性能與載荷不僅受到外部復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，而且會(huì)受到自身載體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等的影響。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于載體結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行一系列研究。卡迪夫大學(xué)的A Mason-Jones，D M O’Doherty等[2]對(duì)比研究5種不同的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于水平軸潮流能水輪機(jī)的影響；中海油研究總院的李志川，張理等[3-4]研究了漂浮式載體運(yùn)動(dòng)及不同支柱形式對(duì)于水輪機(jī)載荷與效率的影響；陳存福[5]采用試驗(yàn)研究方法對(duì)比分析有無導(dǎo)流罩對(duì)于水平軸水輪機(jī)的影響，指出導(dǎo)流罩的加入能夠提高水輪機(jī)效率。20 kW潮流能發(fā)電裝置綜合座海底式和漂浮式載體的優(yōu)缺點(diǎn)，首次提出浮潛式載體的概念，浮潛式載體的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)于水輪機(jī)及流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，然而關(guān)于這方面的研究尚未見到相關(guān)的文獻(xiàn)，針對(duì)上述問題，本文擬采用CFD的方法對(duì)20 kW潮流能發(fā)電裝置中浮潛式載體對(duì)水平軸潮流能水輪機(jī)性能影響進(jìn)行對(duì)比分析，為該裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1　20 kW潮流能發(fā)電裝置

20 kW潮流能發(fā)電裝置由中國海洋大學(xué)設(shè)計(jì)，采用的是水平軸可變槳距水輪機(jī)，由水輪機(jī)、浮潛式載體及支撐結(jié)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。

圖1　20kW實(shí)尺潮流能裝置

20 kW潮流能發(fā)電裝置獨(dú)創(chuàng)性地采用浮潛式浮箱作為載體，通過對(duì)浮箱艙室內(nèi)部艙室進(jìn)行合理分布同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)艙室的注水與抽水，使浮潛式載體具備3種不同工作狀態(tài)，保證拖航與水下工作時(shí)穩(wěn)定性。浮潛式載體工作狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2　浮潛式載體工作狀態(tài)

水輪機(jī)為整個(gè)獲能裝置的獲能部件，通過葉素動(dòng)量理論完成葉片的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并在三維繪圖軟件Solidworks完成水輪機(jī)葉輪建模，三維圖如圖3所示，水輪機(jī)及載體尺寸等參數(shù)如表1所示。

圖3　水輪機(jī)葉輪

表1　水輪機(jī)及載體各項(xiàng)參數(shù)

2　數(shù)值模擬

2.1幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

為研究浮潛式載體結(jié)構(gòu)形狀對(duì)于水輪機(jī)性能的影響，需對(duì)前后有坡度浮潛式載體和前后無坡度浮潛式載體兩種載體結(jié)構(gòu)形式對(duì)水輪機(jī)性能的影響進(jìn)行對(duì)比分析，在三維繪圖軟件SolidWorks中完成浮潛式載體與葉輪的建模，導(dǎo)入到前處理軟件Gambit中，完成旋轉(zhuǎn)域與流體域的建模，為簡化運(yùn)算將浮潛式載體進(jìn)行簡化，忽略兩邊立柱及后方橫梁的影響，如圖4所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)域與流體域建模

旋轉(zhuǎn)域要求能夠包裹水輪機(jī)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)域直徑為5.5 m，厚度為1 m；齋堂島海域平均水深為12 m，將流體域的尺寸設(shè)置為35 m×12 m×8 m。兩種載體形式除載體結(jié)構(gòu)形狀不同，其他條件設(shè)置保持一致。

網(wǎng)格劃分不僅要考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，還要考慮網(wǎng)格的優(yōu)劣，因?yàn)榫W(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。作為CFD前處理軟件GAMBIT，提供了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩種網(wǎng)格類型。鑒于葉片較為復(fù)雜的外形以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的適應(yīng)性[5]，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)劃分，水輪機(jī)葉片表面采用三角形網(wǎng)格劃分；流體域采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為400 mm，網(wǎng)格數(shù)約為40萬；對(duì)旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行加密處理，以便能獲得重要的流場(chǎng)信息，網(wǎng)格尺寸為100 mm，網(wǎng)格數(shù)為17萬。

2.2湍流模型選擇及邊界條件設(shè)定

假設(shè)流體是粘性不可壓的，流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：ui，uj為速度分量，m/s；xi，xj為位置坐標(biāo)分量；P為流體壓力，Pa；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

采用RNG k-ε湍流模型，在形式上類似于standard k-ε，但計(jì)算功能上強(qiáng)于standard k-ε。模型中考慮到旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)計(jì)算精度得到提高，并且該模型改善了標(biāo)準(zhǔn)形式下模擬壁面流動(dòng)失真的情況，使用較廣泛。RNG k-ε模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式[6]為：

式中：μeff=μ+μt，Cμ=0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，η0=4.377，β=0.012。

設(shè)定邊界條件，流體為不可壓的流體，已知來流速度分量，進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口（velocity inlet），流場(chǎng)無限大、參數(shù)未知時(shí)將出口設(shè)為自由出口（outflow），默認(rèn)值為0。水輪機(jī)葉片及浮潛式載體表面設(shè)置為無滑移的固壁條件（wall）；旋轉(zhuǎn)域和流體域的類型都為流體（fluid），邊界條件設(shè)定如圖5所示。

圖5　邊界條件

3　結(jié)果分析

在對(duì)仿真結(jié)果分析時(shí)，最能表征水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)性能的參數(shù)是功率系數(shù)、軸向力系數(shù)。其中功率系數(shù)直接關(guān)系水輪機(jī)的發(fā)電量，軸向力系數(shù)則用來對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，保證安全性和穩(wěn)定性。功率系數(shù)和軸向力系數(shù)的表達(dá)式[7]為：

式中：P電為功率；F為軸向力；n為轉(zhuǎn)速；V為額定流速。

3.1性能參數(shù)對(duì)比

在ANSYS workbench-fluent中完成兩種工況下水輪機(jī)的數(shù)值模擬，得到不同尖速比下的軸向力系數(shù)與功率系數(shù)，如圖6所示。

圖6　性能參數(shù)

由圖可見，兩種載體結(jié)構(gòu)形式下功率系數(shù)與軸向力系數(shù)相差較大，浮潛式載體的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)于水輪機(jī)獲能與受力均具有一定的影響。就軸向力而言，兩種形式下軸向力系數(shù)隨尖速比增大而增大，有坡度浮潛式載體的軸向力系數(shù)要高于無坡度浮潛式載體的軸向力系數(shù)，產(chǎn)生較大載荷；就功率系數(shù)而言，兩種形式下功率系數(shù)是先增大后減小的趨勢(shì)，存在最優(yōu)尖速比，有坡度時(shí)，在尖速比為6時(shí)達(dá)到最大功率系數(shù)，無坡度時(shí)，λ=5為最佳尖速比，有坡度時(shí)的功率系數(shù)整體要高于無坡度時(shí)的功率系數(shù)，最高能達(dá)到0.47左右。主要因素為有坡度浮潛式載體對(duì)水輪機(jī)前方來流是逐漸加強(qiáng)作用，而對(duì)于無坡度浮潛式載體，來流在海底1.5 m高度上受到無坡度浮潛式載體的影響，產(chǎn)生湍流與渦流的復(fù)雜流動(dòng)，削弱來流強(qiáng)度。

3.2對(duì)上游來流與尾流的影響

為了綜合考察浮潛式載體與水輪機(jī)工作時(shí)對(duì)于上游來流與尾流流場(chǎng)影響，選擇在水輪機(jī)前后不同位置分析流速變化。選定水輪機(jī)工作尖速比λ為6時(shí)，分別對(duì)水輪機(jī)前后不同位置處垂向速度分布與水平方向流速進(jìn)行分析。

在流體域中選取過葉輪中心的水平直線，通過CFD-POST后處理監(jiān)測(cè)流場(chǎng)水平速度隨位置變化情況，如圖7所示，浮潛式載體的存在對(duì)于水輪機(jī)（Y=0）上游流速有加強(qiáng)作用，無坡度浮潛式載體將流速提高0.2 m/s左右，而有坡度浮潛式載體將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機(jī)獲能，但同時(shí)對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生了較大的軸向載荷，相應(yīng)的尾流也有一定的差別，整體而言，有坡度浮潛式載體情況下水平方向流場(chǎng)流速高于無坡度浮潛式載體時(shí)流速。

圖7　水平速度分布曲線

在圖5所示的YOZ平面內(nèi)，選定水輪機(jī)前后Y為±2 m，±3 m，±4 m，±8 m 8個(gè)不同位置，對(duì)水輪機(jī)前后不同位置的流速垂向分布受浮潛式載體的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得到不同位置流速沿垂向分布規(guī)律曲線如圖8所示。由圖8（a）可見，在水輪機(jī)前后±8 m處，浮潛式載體對(duì)于其上游來流并沒有太大的影響，基本保持在1.75 m/s左右；由圖8（b）～8（d）可知，受水輪機(jī)與來流雙向耦合的影響，水輪機(jī)前方來流并不是定值1.75 m/s，而出現(xiàn)一定的偏差，并且越靠近水輪機(jī)變化越明顯。各位置的垂向速度分布由于受浮潛式載體的影響而發(fā)生變化，有無坡度的浮潛式載體使上游流速都有所提高，有坡度浮潛式載體使上游流速平均提高0.4 m/s左右，無坡度浮潛式載體使上游流速平均提高0.2 m/s左右，相比無坡度浮潛式載體，有坡度浮潛式載體由于導(dǎo)流增速明顯更有利于水輪機(jī)獲能。對(duì)于尾流分布，兩種載體結(jié)構(gòu)形式下流速也存在一定的差別，整體上有坡度浮潛式載體的尾流速度要高于無坡度浮潛式載體的尾流速度。

綜合分析可見，浮潛式載體的存在對(duì)水輪機(jī)附近的流場(chǎng)造成了一定的影響，有坡度浮潛式載體由于具有一定的導(dǎo)流聚流作用使流經(jīng)水輪機(jī)的水流流速提高，同時(shí)避免了無坡度浮潛式載體造成的局部湍流和渦流現(xiàn)象，有利于水輪機(jī)的獲能和效率的提高。

圖8　水輪機(jī)前后不同位置垂向速度分布

4　應(yīng)用

依據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)制造了帶有前后坡度的浮潛式載體箱體，并于2015年6月對(duì)20 kW浮潛式潮流能發(fā)電裝置按照?qǐng)D2所示的拖運(yùn)下潛流程順利安裝就位，如圖9所示，目前已在青島齋堂島水道正常運(yùn)行1 a多時(shí)間。

圖9　20kW潮流能發(fā)電裝置

在運(yùn)行過程中，經(jīng)監(jiān)測(cè)，機(jī)組效率大于35%，這除了變槳距系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最大功率點(diǎn)追蹤控制外，帶有前后坡度的浮潛式載體的導(dǎo)流增速作用也發(fā)揮了一定的作用。

5　結(jié)語

為研究浮潛式載體對(duì)于水平軸水輪機(jī)及其流場(chǎng)的影響，對(duì)兩種載體結(jié)構(gòu)形式下的水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比得到以下結(jié)論：

（1）浮潛式載體結(jié)構(gòu)形狀對(duì)于水輪機(jī)的影響不能忽略。前后坡度的存在使功率系數(shù)有所提高，最高能達(dá)到0.47左右，但軸向力也相應(yīng)的提高，因此，在浮潛式載體設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，在保證獲能效率的同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，保證安全與穩(wěn)定。

（2）浮潛式載體的存在對(duì)于水輪機(jī)上游流速有一定的加強(qiáng)作用，無坡度浮潛式載體將流速提高0.2 m/s左右，而有坡度浮潛式載體因其導(dǎo)流聚流作用將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機(jī)獲能和效率的提高。

本文通過對(duì)比兩種載體結(jié)構(gòu)形式下水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，研究浮潛式載體結(jié)構(gòu)形狀對(duì)于水輪機(jī)性能的影響。但設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，潮流能裝置中的立柱及橫梁等都是水輪機(jī)性能的影響因素，在本文中并未進(jìn)行全面考慮，擬在以后的研究工作中，進(jìn)一步綜合考慮潮流能裝置中立柱、橫梁等對(duì)于水輪機(jī)獲能與受力的影響，更全面地分析載體及支撐結(jié)構(gòu)對(duì)水輪機(jī)性能的影響。

[1]張亮,李新仲,耿敬，等.潮流能研究現(xiàn)狀[J].新能源進(jìn)展,2013,1(1):53-68.

[2]A Mason-Jones,D M O’Doherty,et al.Influence of a velocity profile &support structure on tidal stream turbine performance[J]. Renewable Energy,2013,52:23-30.

[3]李志川,張理,肖鋼,等.200 kW潮流能發(fā)電裝置漂浮式載體運(yùn)動(dòng)對(duì)水輪機(jī)性能影響分析 [J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2014,33(4): 52-55.

[4]李志川,張理,荊豐梅.支柱對(duì)潮流能水輪機(jī)效率和載荷影響研究[J].中國造船,2014,55:186-191.

[5]陳存福.潮流能水平軸水輪機(jī)葉片優(yōu)化及水動(dòng)力性能研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2012.

[6]Anup KC,Young Ho Lee.CFD study on prediction of vortex shedding in draft tube ofFrancis turbine and vortex control techniques[J]. Renewable Energy,2016,86:1406-1421.

[7]R M Stringer,A J Hillis,J Zang.Numerical investigation of laboratory tested cross-flow tidal turbines and Reynolds number scaling[J]. Renewable Energy,2016,85:1316-1327.

Research on the Effect of Buoyancy Carrier on the Performance of Tidal Current Energy Turbine

WANG Shu-jie1,2,YU Xiao-li1,LI Ren-jun1,YUAN Peng1,2,ZHANG Yi-jun1
1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China; 2.Qingdao Municipal Key Laboratory of Ocean Renewable Energy,Qingdao 266000,Shandong Province,China

Buoyancy carrier is an innovative carrier form of tidal current energy turbine.During the design of the turbine,the stability of floating,sinking and towing should be ensured,while minimizing the influence of carrier form on its carried tidal turbine.The method of computational fluid dynamics is adopted to study the operational performance of the turbine and the distribution of fluid velocity under two different carrier forms.The results show that the gradient of buoyancy carrier has an important effect on the power coefficient and the axial force coefficient of the turbine.With increasing power coefficient,the axial force coefficient also increases accordingly. Therefore,while ensuring the turbine efficiency,it needs check the stability of the structure.Under the condition of rated flow velocity,the existence of buoyancy carrier reinforces the upstream flow velocity.The carrier with gradient will improve the flow velocity by 0.4 m/s owing to the function of stream guidance and focused fluid, which benefits energy capture and improves energy efficiency.

horizontal axis tidal current energy turbine;buoyancy carrier;numerical simulation;performance analysis;distribution of flow field

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0005-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.002

2016-02-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51479185）；海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（GHME2010ZC04）

王樹杰（1961-），男，博士，教授，主要從事海洋能利用技術(shù)研究工作。E-mail：wangshujie@ouc.edu.cn