直葉H型潮流水輪機三維數值模擬

付士鳳,鄭 源,梁曉玲,闞 闞,陳會向,楊春霞

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學文天學院,安徽 馬鞍山 243031)

直葉H型潮流水輪機三維數值模擬

付士鳳1,鄭 源1,梁曉玲2,闞 闞1,陳會向1,楊春霞1

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學文天學院,安徽 馬鞍山 243031)

為了探究直葉H型潮流水輪機水動力性能的影響因素,在理論分析的基礎上,應用大型建模軟件UG建立了直葉H型潮流水輪機三維模型,基于滑移網格技術采用Fluent軟件對水輪機模型進行三維數值模擬,在保持直葉H型潮流水輪機葉片翼型一定、水輪機密實度相同的條件下,通過改變轉輪葉片數以及來流速度,分析了潮流水輪機水動力性能。結果表明,葉片數對直葉H型潮流水輪機水動力性能影響很大,葉片數越多,輸出扭矩值越小,當葉片數為3、葉尖速比為1.63時,水輪機最高獲能系數為31.21%。

潮流水輪機;直葉;翼型;水動力性能;數值模擬

隨著煤炭、石油等化石能源不斷消耗,使用成本逐漸提高,能源供需矛盾越來越突出,作為一種可再生清潔能源,潮流能的開發與研究備受關注[1]。我國潮流能資源十分豐富,蘊含總量達1.4億kW,在潮流能開發及利用方面具有得天獨厚的優越條件[2]。在能源問題日顯突出的今天,加大潮流能資源的開發力度是解決能源問題進程中必不可少的一環。

近些年來,垂直軸潮流水輪機發展迅速,加拿大Blue Energy公司研制了功率為100 kW垂直軸樣機[3]；意大利PDA公司漂浮式垂直軸直葉片變槳水輪機于2002年在墨西哥海峽運行[4];美國GCK Technology公司開發的垂直軸潮流水輪機(GHT)采用旋轉一定角度的螺旋形葉片,螺旋形葉片的垂直軸潮流水輪機相對于直葉片的垂直軸潮流水輪機具有運行平穩、容易啟動的優點[5];韓國引進美國技術建造了潮流能實驗電站,在珍島郡鳴梁海峽大橋下游安裝了兩臺500 kW垂直軸潮流水輪機,并投入正式運營[6];中國海洋大學研制了一款漂浮式垂直軸潮流水輪機發電裝置[7],采用柔性葉片,類似于帆翼,其突出特點是可以充分有效地利用升阻力效應,該垂直軸潮流水輪機發電裝置在青島膠南齋堂島海域成功進行了測試,取得良好的效果；哈爾濱工程大學設計研制的“萬向Ⅰ”號漂浮式潮流水輪機,輸出功率可達70 kW[8],并且在浙江省岱山縣又建造了“萬向Ⅱ”號40 kW座海底式潮流水輪機[9]。在潮流水輪機研究方面,張楠[10]對漂浮式潮流水輪機的葉輪及錨泊系統進行了研究,提出了一種極限海況下安全可靠的錨泊系統;張亮等[11]研究了導流罩與轉輪之間流體動力學的干擾規律,認為導流罩可穩定下游流場;羅慶杰等[12]采用UDF控制滑移網格方法,可對擺線式直葉H型潮流水輪機性能進行預報；付士鳳等[13]的研究表明,直葉H型潮流水輪機的優點在于葉片結構簡單,不需要對流裝置,維護成本低。目前有關潮流能水力機械的研究多數都集中于單一因素的分析,對影響直葉H型潮流水輪機水動力性能的綜合因素研究較少。基于此,本文結合理論分析與三維數值模擬,研究在不同葉片數和來流速度條件下,直葉H型潮流水輪機水力特性及利用效率,可為垂直軸潮流水輪機研究設計提供參考。

1 物理模型

1.1 幾何建模

在保持水輪機密實度一定的條件下,利用大型三維建模軟件UG對直葉H型潮流水輪機轉輪進行三維造型,如圖1所示。

圖1 直葉H型潮流水輪機轉輪三維造型

對于直葉H型潮流水輪機,密實度定義為

(1)

式中:z為葉片數;c為弦長;d為轉輪直徑。由文獻[14]可知水輪機密實度取值在0.15～0.5之間,取值過小、過大都不利于潮流能的有效利用,本文取為0.35。

1.2 受力分析

直葉H型潮流水輪機直葉片斷面受力分析如圖2所示(圖中L為升力;D為阻力;v為來流速度;u為葉片旋轉沿切線速度;w為相對流速;α為攻角;θ為葉片的相位角,用來定義葉片所處的位置)。直葉H型潮流水輪機主要利用了水流對葉片的升力來驅動轉輪旋轉。

圖2 直葉H型潮流水輪機直葉片斷面受力分析示意圖

1.3 水輪機模型參數

直葉H型潮流水輪機模型參數如下:水輪機外徑D1=3.5 m,水輪機輪轂直徑D2=0.5 m,葉片高度h=4 m,葉片安裝角φ=-7°，葉片數z=3、4、5、6,主翼型為NACA4415,支撐架翼型為NACA0015,主翼型的弦長C1=1.28 m、0.96 m、0.77 m、0.64 m。

2 三維數值模擬計算

2.1CFD計算方法

直葉H型潮流水輪機運行時,外部流動的水為不可壓縮流體,轉輪葉片表面主要受到重力、水壓力和離心力的作用,應用Fluent軟件,采用雷諾時均Navier-Stokes方程[15]和Spalart-Allmaras湍流模型[16]對垂直軸水輪機轉輪區域流場進行CFD數值模擬,連續性方程和Navier-Stokes方程分別為

(2)

(3)

式中:u為流體速度矢量;F為質量力;p為壓強;ρ為流體密度;μ為湍流黏度。計算采用二階迎風格式,非定常隱式求解,時間步長為0.01 s,利用SIMPLEC算法實現壓力和速度的耦合。

2.2 邊界條件

進水流道入口處的邊界條件設置為速度進口;水輪機所處的圓柱體表面定義為滑移面,在假定壓強已經恢復到來流靜壓的條件下,下游出水流道斷面處邊界條件設置為平均靜壓出口;對于不可壓縮流體,轉輪、支架葉片及流道表面的邊界條件設置為無滑移絕熱固壁。

2.3 計算域網格劃分

實際上,直葉H型潮流水輪機運行在海洋中,所處區域廣闊,本文根據水輪機模型的基本參數建立一個長方形區域為直葉H型潮流水輪機周圍的流動區域,同時把它作為計算區域,取水輪機轉軸中心點為坐標原點,如圖3所示。

圖3 計算區域

為了確保模擬計算的準確性,進一步將計算區域劃分成兩部分,以一緊密環繞直葉H型潮流水輪機的圓柱體區域為第一部分,對此區域內的網格進行細化加密,并同時定義圓柱體表面為滑移邊界,除此之外的長方體流動區域為第二部分。運用ANSYS ICEM軟件對兩個區域進行網格劃分,鑒于轉輪表面多為不規則的空間曲面,對其采用四面體非結構化網格進行劃分。定子與轉子之間的相互影響不可忽略,基于此,采用滑移網格模型[17]。3葉片轉輪計算區域的網格劃分見圖4。

圖4 計算區域網格劃分

3 計算結果分析

3.1 周期內流場壓力分布

圖5為來流速度v=1.5 m/s、轉速n=13.38 r/min工況下,不同葉片數水輪機在相同時刻的轉輪流場截面云圖,可以明顯看出轉輪在相同時刻時,隨著葉片數不同,周圍壓力發生很大的變化,靠近來流方向轉輪左側盤面區域流場壓力大于轉輪右側盤面區域,當轉輪轉動,直葉片處在左側盤面區域特別是180°相位角附近時,葉片壓力面壓力遠遠大于吸力面壓力。

從圖5還可以看出,當葉片在180°相位角附近區域時,葉片吸力面壓力很小,甚至小于轉輪內部壓力,當葉片轉動到右側盤面區域時,壓力面壓力往往小于吸力面壓力;特別是葉片前緣尖端附近區域,來流由于受到葉片的阻礙作用,流速很小,導致葉片前緣小區域壓力很大,直葉片在左側盤面區域時,前緣壓力極大區域出現在葉片壓力面,不過當直葉片在右側盤面區域時,壓力極大區域出現在葉片吸力面。

3.2 不同葉片數轉輪動力扭矩特性

圖6為來流速度v=1.5 m/s、轉速n=13.38 r/min工況下,不同葉片數的轉輪單葉片扭矩曲線在一個轉動周期內的分布規律,直葉片在左側盤面靠近來流最前端180°相位角附近時出力最大,同時從圖6可以看出葉片數對垂直軸潮流水輪機的出力影響很大,隨著葉片數增多,單葉片周期內輸出扭矩最大值減小,轉輪右側盤面區域葉片出力為負值,做負功阻礙水輪機轉輪轉動。

圖5 流場壓力云圖(單位:kPa)

圖6 單葉片輸出扭矩

圖7為不同葉片數整體轉輪在一個周期內的扭矩輸出曲線,呈規律性分布,3葉片的轉輪周期內出現3次波峰3次波谷,4葉片的轉輪出現4次波峰4次波谷,5葉片、6葉片的轉輪也有同樣的規律;在相同工況以及保持同樣轉輪密實度的條件下,直葉H型潮流水輪機轉輪葉片數越多,輸出扭矩最大值越小,但是輸出扭矩最小值卻沒有類似的規律,3葉片轉輪的輸出扭矩最小值最小,6葉片轉輪輸出扭矩最小值稍大,4葉片和5葉片轉輪輸出扭矩最小值相當,為最大。從圖7還可以看出,葉片數超過一定值,如大于4時,轉輪輸出扭矩值減小得很快,呈現驟降的趨勢,葉片數越多,轉輪輸出扭矩值周期性波動越小。

圖7 轉輪輸出扭矩

3.3 獲能系數計算

獲能系數計算公式為

(4)

式中:T為輸出扭矩；ω為旋轉角速度;v為來流速度;D1為水輪機外徑;h為水輪機葉片高度。由式(4)可計算得到不同葉片數下轉輪各種工況的獲能系數曲線如圖8所示。

圖8 轉輪獲能系數曲線

從圖8可以看出，同一翼型相同工況,密實度相同條件下,轉輪的獲能系數隨著葉片數增多越來越低,當轉輪葉片數為3,葉尖速比λ=1.63時,直葉H型潮流水輪機最高獲能系數為31.21%。獲能利用的高效區在葉尖速比λ為1～2之間,當轉輪葉片數為3、4及5時,最佳葉尖速比為1.63,葉片數為6時,水輪機最佳葉尖速比為1.24;同時從圖8還可以看出,當葉尖速比超過某一極限值,直葉H型潮流水輪機輸出扭矩為負值,阻礙轉輪轉動,轉輪獲能系數為負值,此時不做正功,轉輪葉片數不同,這一極限值也有所不同,3葉片轉輪為2.48,4葉片轉輪為2.37,5葉片轉輪為2.12,根據趨勢6葉片轉輪近似為1.87。

4 結 論

a. 直葉H型潮流水輪機轉輪旋轉時,葉片所處相位角位置不同,過流流場有不同的壓力分布,靠近來流方向轉輪左側盤面區域流場壓力大于轉輪右側盤面區域,轉輪直葉片在180°相位角附近區域時,葉片壓力面壓力遠遠大于吸力面壓力。

b. 不同葉片數的直葉H型潮流水輪機在同一工況下運行時,輸出扭矩值呈周期性分布,葉片數越多,輸出扭矩值越小,輸出扭矩值周期性波動越小。

c. 直葉H型潮流水輪機獲能的高效區在葉尖速比為1～2之間,當轉輪葉片數為3、葉尖速比為1.63時,直葉H型潮流水輪機最高獲能系數為31.21%。

[1] 魏東澤,吳國榮,郭欣,等.潮流能開發技術研究進展[J].可再生能源,2014,32(7):1067-1074.(WEI Dongze,WU Guorong,GUO Xin,et al.Research progress in exploration technology of tidal current energy[J].Renewable Energy Resources, 2014,32(7):1067-1074.(in Chinese))

[2] 戴慶忠.潮流能發電及潮流能發電裝置[J].東方電機,2010(2):51-66.(DAI Qingzhong.Generate using the tidal current energy and the generation device[J].Oriental Motor,2010(2):51-66.(in Chinese))

[3] BURGER M,REID N.Hydrodynamic array: US8841790B1[P]. 2013-03-19.

[4] 戴軍, 單忠德, 王西峰,等.潮流水輪機的研究進展[J].可再生能源,2010,28(4):130-133.(DAI Jun,SHAN Zhongde, WANG Xifeng,et al.Research status of tidal current turbine[J].Renewable Energy Resources,2010,28(4):130-133.(in Chinese))[5] 張亮, 李志川, 張學偉,等.垂直軸潮流能水輪機研究與利用現狀[J].應用能源技術,2011(9):1-7.(ZHANG Liang,LI Zhichuan,ZHANG Xuewei,et al.The status of research and application of vertical axis tidal turbine[J].Applied Energy Technology,2011(9):1-7.(in Chinese))

[6] 張亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究現狀2013[J].新能源進展,2013,1(1):53-68.(ZHANG Liang,LI Xinzhong,GENG Jing,et al.Tidal current energy update 2013[J].Advances in new and Renewable Energy,2013, 1(1):53-68.(in Chinese))

[7] 王樹杰,鹿蘭帥,李冬,等.潮流發電帆翼式柔性葉片水輪機實驗研究[J].海洋工程,2009,27(1):83-89.(WANG Shujie,LU Lanshuai,LI Dong,et al.Experimental investigation on sail-winged flexible blade turbine[J].The Ocean Engineering, 2009,27(1):83-89.(in Chinese))

[8] 李鳳來,張亮,張洪雨,等.70 kW潮流電站水輪機研究[R].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2002.

[9] 盛其虎,羅慶杰,張亮.40 kW潮流電站載體設計[C]中國可再生能源學會海洋能專業學術委員會成立大會暨第一屆學術討論會論文集.杭州:中國可再生能源學會海洋能專業學術委員會,2008:159-168.

[10] 張楠.漂浮式潮流電站葉輪與錨泊系統設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[11] 張亮,孫科,羅慶杰.潮流水輪機導流罩的水動力設計[J].哈爾濱工程大學學報,2007,28(7):734-737.(ZHANG Liang,SUN Ke,LUO Qingjie.Hydrodynamic design of diversion cover for a tidal-stream hydro turbine[J].Journal of Harb in Engineering University,2007,28(7):734-737.(in Chinese))

[12] 羅慶杰,張亮,孫科.UDF控制滑移網格方法在擺線式直葉水輪機性能預報中的應用[C]中國可再生能源學會海洋能專業學術委員會成立大會暨第一屆學術討論會文集.杭州:中國可再生能源學會海洋能專業學術委員會,2008:124-132.

[13] 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,2014,32(7): 140-143.(FU Shifeng,LI Long,DENG Li,et al.CFD simulation of vertical axis tidal turbine based on sliding mesh[J].Water Resources and Power,2014,32(7):140-143.(in Chinese))

[14] 李允武.海洋能源開發[M].北京:海洋出版社,2008.

[15] 胡玉仙.基于FLUENT軟件的泵站進出水流道流動模擬研究[D].武漢:武漢大學,2004.

[16] 周俊波.Fluent 6.3流場分析：從入門到精通[M].北京:機械工業出版社,2012.

[17] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2008.

Three-dimensional numerical simulation of H-type straight-blade tidal turbine

FU Shifeng1,ZHENG Yuan1,LIANG Xiaoling2,KAN Kan1,CHEN Huixiang1,YANG Chunxia1

(1.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.HohaiUniversityWentianCollege,Maanshan243031,China)

In order to explore the factors influencing the hydrodynamic performance of an H-type straight-blade tidal turbine, based on theoretical analysis, a three-dimensional model of an H-type straight-blade tidal turbine was established using large-scale modeling software UG, and three-dimensional numerical simulations were carried out using the Fluent software and the sliding mesh method. Under the conditions with the same airfoil type of H-type turbine blade and the same turbine solidity, the hydrodynamic performance of the tidal turbine was analyzed by changing the number of runner blades and inflow velocity. The results show that the number of blades has a significant effect on the hydrodynamic performance of the H-type straight-blade tidal turbine. The greater the number of blades, the smaller the output torque is. When the number of blades is three and the tip speed ratio is 1.63, the highest turbine power coefficient is 31.21%.

tidal turbine; straight blade; hydrofoil type; hydrodynamic performance; numerical simulation

國家自然科學基金(51339005;51579080);安徽省自然科學基金(1608085ME119)

付士鳳(1987—),男,博士研究生,主要從事流體機械研究。E-mail:fushifenglxl@163.com

鄭源(1964—),男,教授,博士,主要從事流體機械研究。E-mail:zhengy@hhu.edu.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.006

TK730.2

：A

：1006-7647(2017)02-0033-04

2015-12-15 編輯：熊水斌)