新型水輪機聚能導流結構的設計與參數優化

李龍敬，周慎杰

（山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061）

新型水輪機聚能導流結構的設計與參數優化

李龍敬，周慎杰

（山東大學 機械工程學院，山東 濟南 250061）

文章以提高葉片姿勢可變的水輪機獲能能力為目的，結合水輪機的運動規律，提出了一種新的三段式聚能導流結構，借助數值模擬的方法，對不同參數的NACA翼型的增速效果進行了研究，確定了聚能導流結構的具體結構形式。通過改變影響聚能導流結構水動力學性能的幾個重要參數，綜合實際應用得到了水動力學性能較優的聚能導流結構，確定了導流結構的安裝參數和結構參數。

翼型；聚能導流結構；增速比

0 引 言

通常潮流能水輪機的獲能效率在25%到30%之間[1]，相對風力發電，整體獲能效率較低，為了最大限度地獲取潮流的動能，在潮流能獲能機構外部增加聚能導流結構是提高獲能效率的有效方法之一，同時導流結構還能起到支撐體的作用，將水輪機固定在工作海域內。因此，國內外不少學者和科研機構都在致力于聚能導流結構的研究[2-3]。

陳晗[4]在對彈簧控角豎軸直葉片水輪機的實驗研究中，提出了凹形聚能導流結構和凸形聚能導流結構兩種結構，通過實驗研究發現凹形聚能導流結構水輪機的獲能效率要高于凸形聚能導流結構的水輪機。孫科[5，8-9]借鑒風力機擴散器的理論，設計了一種對稱式的導流結構，提出了S型、W型等多種線型結構，借助數值模擬的方法對不同的線型結構的性能進行了分析；提出了設計聚能導流結構擴張門方案，通過研究擴張門不僅可以提高罩內流速，而且還有利于提高流場內的穩定性。劉斌[6]通過非定常渦面元法對加裝聚能導流結構水輪機的水動力性能進行理論計算，分析了水動力機理，得出聚能導流結構幾何參數和安裝位置對于輪機水動力性能的影響規律。王樹杰[7]針對柔性葉片的水輪機設計了一種中心對稱式的導流結構，通過改變影響聚能導流結構性能的幾個重要參數，對聚能導流結構的水動力學性能進行了數值模擬，得出了水動力學性能較優的導流結構。

加拿大的Faure和Pratte[10]提出在河道內垂直軸水輪機上安裝聚能導流結構的想法，通過聚能導流結構的引流作用改變水流沖擊水輪機的角度和速度，解決低流速時水輪機獲能效率偏低的問題。他們研究了聚能導流結構入流角度、葉輪密實度、葉片與聚能導流結構之間的縫隙等因素對水輪機獲能效率的影響。

我們在對新型水輪機的前期研究中，設計了葉片姿勢可變的潮流能獲能水輪機，并對水輪機的水動力學性能進行了研究，已經取得了階段性的成果[11]。為了進一步提高水輪機的獲能效率，根據水輪機自身的運動特點，提出了一種新型的三段式導流結構，并對不同翼型導流結構的增速效果進行了研究，確定了增速段的NACA翼型結構，并針對不同的安裝參數和結構參數進行了數值計算，確定了聚能導流結構的具體參數。

1 聚能導流結構的設計

流體在流動過程中沿流動方向作用于固體壁面的總力稱為曳力，而固體壁面在流動方向對流體的反作用力稱為流體阻力。對于繞流流動，流體作用與固體壁面的力一般可分為正壓力和切應力兩部分。相應地，固體壁面的反作用力也由形狀阻力和摩擦阻力兩部分構成。其中，形狀阻力是固體壁面上正壓力分布不均所產生的，又稱壓差阻力；而摩擦阻力則是固體壁面上切應力分布不均所產生的。因此在導流結構的設計當中要盡可能減小流體阻力，從而最大限度地獲取潮流的動能。

1.1 聚能導流結構的確定

如圖1所示，根據水輪機自身運動規律，聚能導流結構的設計應該保證兩側來流時都有明顯的增速效果，且左側來流時，葉片從正上方打開，水輪機的主增速區域應處于轉子正上方，根據流體力學的理論，當流體流過曲面物體時，沿曲面方向的速度是改變的，所以考慮采用凹面的結構會使流體沿切線方向向上運動，使轉子上方的增速效果明顯。當從右側來流時，葉片從正下方打開，水輪機的主增速區域應處于轉子正下方，同樣基于流體力學的理論，采用凸面結構使流體沿著曲面的切線方向流動，從而達到了轉子下放流速增大的目的。

圖1 聚能導流結構和水輪機示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of diffuser and turbine

基于上述考慮，擬采用單側三段式結構，根據每段的特點，分別命名為凹面增速段、過渡段和凸面增速段。

人們在以前的研究中，凹面增速段大多采用圓弧結構。由于圓弧的變化形式單一，導流后對水流的增速作用不夠強，不便于最大限度地獲取潮流的動能。為進一步提高導流結構的增速能力，我們借鑒NACA翼型結構，提出了在凹面增速段采用NACA翼型導流結構，并與之前的圓弧導流結構進行對比分析。

由于凹面增速段與凸面增速段無法直接相連，故考慮采用圓弧的過渡結構連接兩部分，即過渡段。

在凸面增速段的結構設計上，結合流體力學知識，當流體繞彎曲壁面流動時，為了盡可能地減小流動阻力，需保證過渡段與凸面增速段相切，故凸面增速段優先考慮圓弧結構。

NACA翼型是美國國家航空咨詢委員會（NACA）開發的一系列翼型。每個翼型的代號由“NACA”這四個字母與一串數字組成，將這串數字所描述的幾何參數代入特定方程中即可得到翼型的精確形狀。NACA四位數字翼型是美國NACA最早建立的一個低速翼型系列，與早期的其他翼型相比，有較高的最大升力系數和較低的阻力系數。在每個翼型代號NACA XYZZ中，后面四位數字的含義是：X—相對彎度；Y—最大彎度位置；ZZ—相對厚度。例如，NACA2412表示翼型的相對彎度為2%，最大彎度位置在弦長的0.4，相對厚度為12%。主要的翼型結構如表1所示。

表1 不同的翼型結構Tab.1 Different kinds of airfoil profile

本文分別對不同相對彎度、不同的最大彎度位置和不同的相對厚度進行研究，然后取最優結果與圓弧型迎流面進行比較。

1.2 主要參數

聚能導流結構的參數主要分為安裝參數和結構參數兩部分。安裝參數主要包括聚能導流結構在高度方向上與水輪機轉子中心的相對位置h和水平方向上與水輪機轉子中心的相對位置e；結構參數根據實際情況主要考慮凹面增速段高度H和凸面增速段圓弧半徑R。

凹面增速段高度H：由于增速段采用翼型結構，翼型的高度與長度是成對應關系的，翼型高度確定后，其長度也是確定的，所以對于增速段只需要考慮翼型的相對厚度即可確定增速段的結構。

凸面增速段圓弧半徑R：對于凸面增速段結構，首先從結構設計角度凸面增速段的圓弧要與過渡段的圓弧滿足相切的關系，所以凸面增速段的圓心相對位置是確定的，由于增速段高度已經確定，所以凸面增速段結構的高度也確定，通過改變不同的圓弧半徑，即可得到不同的凸面增速段的長度，可通過研究不同的圓弧半徑下聚能導流結構的增速效果來確定凸面增速段圓弧半徑。

2 水動力學特性的數值模擬

從優化導流結構來說，水輪機的轉動并不會對增速效果有很大的影響，反而是水輪機轉動的網格處理與計算量加大了模擬的復雜程度與難度，所以在模擬過程中考慮放置一靜止狀態的水輪機對不同形式的導流結構的增速效果進行對比，選出最優的導流結構。

2.1 數值模擬方法

基于Fluent軟件穩態計算方法，進行聚能導流結構在敞水狀態下的水動力性能模擬。如圖2所示。計算區域：流場計算域以轉子中心為基準，轉子直徑2R為100mm，設置前方區域10倍于轉子直徑，后方10倍于轉子直徑，上取6倍于轉子直徑的矩形形區域，下到聚能導流結構的下側邊緣。

網格劃分：整個流場區域采用結構化網格結構，在靠近聚能導流結構的壁面區域增加網格密度，而在聚能導流結構外圍則適當放寬網格尺寸，以減小數值模擬的運算量。整個計算區域的網格數量為20 989。

邊界條件：定義為左側為流場入口，入口速度為1 m/s，邊界類型為速度入口（velocity-inlet）；右側為流場出口，邊界類型為壓力出口（pressure-outlet）；流場上下邊界、聚能導流結構和轉子的壁面均采用無滑移壁面（wall）。

針對聚能導流結構流線型較好的特點，數值仿真中選用k-ω湍流模型；時間步長為0.01s，迭代步數為1 500。

2.2 網格無關性驗證

在模擬過程中，網格的疏密程度會直接影響計算結果的準確性。分別對導流罩內流場進行不同疏密程度的網格劃分，得到的網格數分別為10 388、20 989、30 660和43 311。

結果如表2所示，將網格數為1萬與2萬的相比其改變量大于3%，而2萬與3萬和4萬相比，改變量均小于3%。考慮到網格數越多，計算時間越長，為了提高計算效率，采用了2萬網格的加密方式對流場區域進行網格劃分。

圖2 模擬流場模型Fig.2 Fluid domain model

表2 不同單元尺寸下的增速比Tab.2 Speed increasing ratio under different element size

2.3 模擬有效性的驗證

利用數值模擬的計算方法對流體結構進行設計與參數優化是目前國內外流體力學領域普遍采取的一種基本方法，計算結果也大都在后續的實驗中得到了有效的驗證。在前面引言中已經提到的陳晗、孫科、王樹杰等均采用數值模擬的方法對不同類型的導流結構進行了研究，取得了一定的成果。本文也采用相類似的數值模擬方法，對新提出的三段式聚能導流結構進行了參數優化。

孫科[5]在論文中結合對水輪機的實驗數據對幾種導流結構模型進行了數值模擬，計算結果已得到業內專家的廣泛認可。采用與本文數值研究相同的模擬方法，對孫科提出的有關導流結構的3種模型進行了數值計算，并與孫科論文中的原模擬結果進行了對比，本次模擬結果與孫科論文中的模擬結果相吻合，誤差率均在3%以內。由此可見，本文所采用的模擬方法是有效的。詳見表3。

表3 導流罩模型內的最大流速（m/s）Tab.3 The maximum velocity of dome models(m/s)

3 數值結果分析

考慮通過引入增速比來評定聚能導流結構的增速效果。

由于水流從兩側來流時主要的增速區域有一定的區別，所以以轉子中心為原點，左側來流時，取轉子上方55 mm到95 mm的范圍得到該區間的瞬時速度，然后對速度取平均值，計算出轉子上方的瞬時平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機上方的增速比。取轉子下方55 mm到75 mm的范圍得到該區間的瞬時速度，然后對速度取平均值，計算出轉子下方的瞬時平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機下方的增速比。右側來流時，取轉子上方55 mm到75 mm的范圍得到該區間的瞬時速度，然后對速度取平均值，計算出轉子上方的瞬時平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機上方的增速比。取轉子下方55 mm到95 mm的范圍得到該區間的瞬時速度，然后對速度取平均值，計算出轉子下方的瞬時平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機下方的增速比。

本文通過對不同翼型的聚能導流結構進行數值模擬，結合數值模擬結果分析確定最優的翼型結構；在此基礎上再對聚能導流結構進行參數優化，確定最優的安裝參數和結構參數。

3.1 凹面增速段結構的確定

3.1.1 不同參數NACA翼型結構的數值模擬結果

在模擬中固定增速段高度為2.2R，圖3和圖4是聚能導流結構在不同相對彎度（NACA2215、NACA4215、NACA5215和NACA6215）下的增速效果。隨著相對彎度的增大，充分利用翼型曲面對流場的干擾，改變了流體的運動軌跡，起到了更優的引流作用，使得轉子正上方的流速進一步增大，當增加到一定程度后，彎度過大會導致聚能導流結構的迎流面對流體的運動形成阻礙作用，所以聚能導流結構的增速比呈現先大后小的過程，故NACA4215的翼型結構增速效果更佳。根據翼型的代號規則確定翼型相對彎度為4。

圖3 不同相對彎度下左側來流時聚能導流結構上方增速比Fig.3 Speed increasing ratio above diffuser under different relative curvature in case of incoming flow on the left

圖4不同相對彎度下左側來流時聚能導流結構下方增速比Fig.4 Speed increasing ratio below diffuser under different relative curvature in case of incoming flow on the left

圖5 和圖6是不同相對厚度（NACA4206、NACA4212、NACA4215和NACA4221）下聚能導流結構的增速效果，從圖中可以看出，隨著相對厚度的增加，針對固定高度的導流結構，相當于增速段的長度由長變短，當長度過長時，阻力形式主要為摩擦阻力，但過于平緩增速效果不佳，隨著長度變短，阻力形式以壓差阻力為主，對流體的阻礙作用慢慢增大，聚能導流結構的增速效果呈現了迅速增加到快速下降然后趨于平緩的過程，對比可以看出NACA4212翼型結構的增速效果更佳。根據翼型的代號規則確定翼型相對厚度為12。

圖5 不同翼型厚度下左側來流時聚能導流結構上方增速比Fig.5 Speed increasing ratio above diffuser under different airfoilthickness in case ofincoming flow on the left

圖6 不同翼型厚度下左側來流時聚能導流結構下方增速比Fig.6 Speed increasing ratio below diffuser under differentairfoilthickness in case ofincoming flow on the left

圖7 不同最大彎度下左側來流時聚能導流結構上方增速比Fig.7 Speed increasing ratio above diffuser under different circle radius in case of incoming flow on the left

圖8不同最大彎度下左側來流時聚能導流結構下方增速比Fig.8 Speed increasing ratio below diffuser under different circle radius in case of incoming flow on the left

圖7 和圖8是不同最大彎度（NACA4212、NACA4312、NACA4412和NACA4512）下聚能導流結構的增速效果。從圖中可以看出隨著最大彎度的變大，相當于改變了翼型曲面的彎曲程度，會改變曲面對流場的干擾作用，引起轉子上方流速的變化，增速比呈現先下降后逐漸增大的趨勢，聚能導流結構下方的增速比呈現先增大后逐漸下降的趨勢，在這個變化過程中聚能導流結構的主作用增速區域發生了變換，綜合聚能導流結構上下的增速比考慮采用NACA4212的翼型結構。根據翼型的代號規則確定翼型最大彎度位置為2。

3.1.2 圓弧結構的數值模擬結果

給定相同的凹面增速段高度與長度參數，對采用不同圓弧半徑的導流結構進行數值模擬，根據圖9和圖10，可以得到在半徑為300時，聚能導流結構有更佳的增速效果，導流結構上方增速比為1.531，下方增速比1.518。

圖9 不同圓弧半徑下左側來流時聚能導流結構上方增速比Fig.9 Speed increasing ratio above diffuser under different airfoil thickness in case of incoming flow on the left

圖10 不同圓弧半徑下左側來流時聚能導流結構下方增速比Fig.10 Speed increasing ratio below diffuser under different airfoil thickness in case of incoming flow on the left

3.1.3 翼型凹面增速段與圓弧型凹面增速段的增速分析

由表4可以看出，NACA4212翼型結構的增速效果優于圓弧結構，故增速段結構應采用NACA4212的翼型結構。

表4 不同線型的增速比Tab.4 Speed increasing ratio under different linetypes

3.2 安裝參數—長度方向上不同的安裝距離e

安裝參數主要考慮聚能導流結構在高度方向上和長度方向上與水輪機的相對位置。考慮讓聚能導流結構的內壁與水輪機葉片完全張開時的軌跡相切，故聚能導流結構在高度方向上與水輪機的相對位置可以直接確定，在水平方向上的距離e要通過模擬得到。圖11為聚能導流結構安裝位置參數示意圖。

取R=50，結合實際考慮取安裝距離分別為0.6R、0.8R、1R、1.2R、1.4R、1.6R和1.8R七種工況，采用控制變量法進行研究。數值模擬結果如圖12-15所示。隨著聚能導流結構在長度方向上的安裝距離e從大到小不斷變化，聚能導流結構上下方的平均增速比呈現先增大后減小的過程。當聚能導流結構的頂點位置距離水輪機轉子中心位置一個R的距離時，平均增速比達到最大值。隨著安裝位置的移動，聚能導流結構下放的增速比變化趨勢更為明顯，當聚能導流結構逐漸靠近水輪機轉子后，轉子上下均有較好的增速效果。

圖11 聚能導流結構的安裝位置參數Fig.11 The installation parameters ofdiffuser

圖12 不同安裝位置e下聚能導流結構上方的增速比Fig.12 Speed increasing ratio under different installation sites

圖15 安裝位置為1.8R時的速度矢量圖Fig.15 The velocity vector when installed at location of 1.8R

3.3 結構參數

結構參數如圖16所示，根據翼型結構的特點以及設計的原則，主要參數包括凹面增速段高度H和凸面增速段圓弧半徑r。

3.3.1 不同高度H下聚能導流結構的增速效果分析

考慮研究不同高度下的NACA4212的結構，探究增速段高度對導流增速效果的影響。取2.2R、2.6R、3R和3.4R四種情況進行分析。模擬結果如圖17和圖18所示。隨著聚能導流結構高度的增加，聚能導流結構對流場的干擾作用發生了改變，對水流的阻礙作用由摩擦阻力變成壓差阻力，聚能導流結構上方增速比會逐漸增大然后慢慢減小并趨于平緩；而聚能導流結構下放增速比一直處于逐漸增大的過程，轉子下方流速明顯增大，但轉子上方的流速相對減小，這是聚能導流結構整體結構的增大與轉子相對大小綜合作用的結果。綜合考慮增速效果與成本，考慮選用高為2.6R的導流結構。

3.3.2 不同半徑r聚能導流結構的增速效果分析

考慮水流從右側流過時，研究圓弧半徑對聚能導流結構增速效果的影響。分別取4.5R、5R、5.5R、6R、8R和10R六種不同的圓弧半徑，模擬結果如圖21所示，隨著半徑的不斷增大，聚能導流結構本身對于水流的阻礙作用會相對減小，增速比會逐漸增大，但是當聚能導流結構凸面增速段圓弧半徑增大到6R后，隨著半徑的再度增大，增速效果會逐漸減小然后趨于平緩，這是因為隨著半徑的進一步增大，聚能導流結構的凸面增速段越接近于直線結構，圓弧對流場幾乎起不到干擾作用，增速效果也逐漸趨近于直線結構。

圖16 聚能導流結構的結構參數Fig.16 The structure parameters of diffuser

圖17 不同高度H下聚能導流結構上方的增速比Fig.17 Speed increasing ratio above diffuser under different H

圖18 不同高度H下聚能導流結構下方的增速比Fig.18 Speed increasing ratio below diffuser under different H

圖19 高度為2.6R時速度矢量圖Fig.19 Velocity vector atthe heightof2.6R

圖20 高度為3.4R時速度矢量圖Fig.20 Velocity vector at the heightof3.4R

4 結 論

本文根據新型水輪機運動特點，以新型水輪機聚能導流結構為研究對象，提出了新型三段式聚能導流結構，通過數值模擬的方法確定了增速段NACA翼型結構選型，對影響聚能導流結構的主要參數進行了優化研究，得出以下結論：

（1）本文首次對NACA翼型結構的增速效果進行了研究，通過對不同參數的翼型結構進行數值計算，確定選用NACA4212的翼型作為凹面增速段結構。根據模擬結果，NACA4212的翼型結構聚能導流結構上方增速比為1.591，下方增速比為1.581，比同樣條件下采用圓弧型聚能導流結構的增速比分別提高了3.92%和4.15%。

（2）在增速段選用翼型結構的基礎上進行結構參數優化，根據翼型結構的特點，增速段的高度與長度成比例關系，故選取不同的增速段高度作為優化參數進行優化，最終得到聚能導流結構的凹面增速段的高度為2.6R；考慮到水流從右側來流的增速效果，針對右側凸面增速段圓弧確定的結構特點，選取了圓弧半徑作為優化參數，最終確定凸面增速段的圓弧半徑為6R。

（3）根據水輪機的運動特點，考慮讓聚能導流結構的內壁與水輪機葉片完全張開時的軌跡盡量相切，故聚能導流結構在高度方向上與水輪機的相對位置可以直接確定，因此選取了豎直方向上的距離e作為優化參數進行優化，確定了聚能導流結構凹面增速段與過渡段連接處與葉片姿勢可變水輪機轉子之間水平方向的距離為R。

圖21 右側來流時不同半徑下聚能導流結構下方的增速比Fig.21 Speed increasing ratio below diffuser under different radius in case of incoming flow on the right

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Design and parameter optimization of novel energy-gathered and diversion mechanism

LI Long-jing,ZHOU Shen-jie
(Shandong University School of Mechanical Engineering,Jinan 250061,China)

In order to improve the efficiency of the Blade Position-Variable Hydraulic Turbine,a threepiece energy-gathered and diversion mechanism is proposed,combined with motion law of hydraulic turbine. By means of the numerical simulation method,the accelerating effect of different parameters of NACA airfoilis studied,then the specific structure of energy-gathered and diversion mechanism is determined.A kind of energy-gathered and diversion mechanism with excellent hydraulic performance is obtained through changing severalimportantparameters.

airfoil;energy-gathered and diversion mechanism;speed increasing ratio

TB126 TK79

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.005

1007-7294（2017）07-0832-10

2017-03-08

山東省科技開發項目（2014GGX103028）

李龍敬（1988-），男，博士研究生，E-mail：kglilongjing@163.com；

周慎杰（1958-），男，教授。