導流罩結構參數對橫軸水輪機性能的影響研究

蘭雅梅，張婷婷，王世明，饒 勇，劉 爽

(上海海洋大學工程學院，上海 201306)

海流能作為一種新型的可再生清潔能源，其開發與利用倍受關注。水輪機作為海流發電的主要部件，按照結構可以分為垂直軸、水平軸、橫軸水輪機。為提高海流能水輪機發電效率，通常采用的方法是在水輪機葉輪外圍加裝導流聚能裝置，即導流罩。國內外研究人員采用不同的模擬方法，對加裝導流罩后的水輪機動力性能進行了研究。張亮、Wang、Setoguchi等學者[1-3]研究了對稱式導流罩各個參數對增速性能的影響；Ponta等[4]提出了一款尾部擴張形式的導流罩，并通過實驗方法對垂直軸發電裝置水動力性能進行了分析；Alidadi等[5]對應用于垂直軸水輪機的導流罩外形進行了優化，并通過實驗進行驗證；Malipeddi、Cosoiu、Gaden等[6-8]通過開發的導流罩適當地引導垂直軸水輪機上下游的流量，增加功率轉換，比較了不同參數下的水動特性變化規律。張歡、程帥兵等[9-10]對比分析垂直軸水輪機在有無導流罩情況下，流線分布特征、流量分布特性、以及水輪機所受驅動力矩脈動和轉速脈動特性。Fleming等[11]基于雷諾平均的N-S方程，分析了雙向導流罩對水輪機能量利用率的影響，并與無導流罩情況進行對比。Song等[12]基于Fluent研究發現，導流罩彎度F和攻角α可以顯著提高功率和軸向力水平，并影響功率系數曲線的變化。

導流罩內流場及結構參數研究對水輪機獲能過程以及水動力性能分析具有重要意義，但是目前國內外的系統研究為數不多，尤其應用于橫軸水輪機的研究鮮有報道。2011年～2016年，上海海洋大學海洋能研究團隊在海洋可再生能源專項資金資助下，進行了橫軸水輪機發電裝置的系列研究[13-15]。本文基于此橫軸水輪機，通過數值模擬方法對比分析其在有無導流罩情況下的水動力性能，驗證了導流裝置在提高能量利用率方面的效果，此研究將為后期水輪機及導流罩的設計優化提供一定的理論基礎。

1 結構模型及參數方案

1.1 橫軸水輪機

橫軸水輪機的三維模型如圖1所示，其中標號1為水輪機主軸，2為法蘭片，3為葉片翼型。其工作原理為，通過水流作用于葉片上的推力和升力，推動水輪機轉動，然后通過水輪機主軸帶動發電機發電。橫軸水輪機葉片采用弦長為0.1 m的NACA663-018翼型，葉片數n為5。水輪機直徑d為0.64 m，展向長度h為1 m，旋轉直徑D為0.9 m。

圖1 水輪機模型示意

1.2 導流罩

參考常用的設計方案，本文設計的流線型導流罩內壁由收縮段，水平段和擴散段三部分構成。收縮段為光滑的弧形曲面，可減少偏向來流造成的流動分離；收縮段的弧形曲面會一直過渡到水平段，之后的一段區域為直線型平面，保證該區域水流均勻穩定；導流罩尾部，采用向外擴張的弧形曲面，可在其附近形成低壓區，前后壓差產生的抽吸效果使通過水輪機的水流流速增加，從而增加水輪機的獲能率。導流罩結構如圖2所示，其中，L1為導流罩水平段長度，L2為總長度，D1為入口間距，D2為水平段間距(簡稱為導流罩間距)，D3為出口間距；a為入口角度，b為出口角度。

圖2 流線型導流罩結構模型及參數

當導流罩中不放置水輪機時，導流罩內的流速一般大于來流流速。但當導流罩中放置水輪機后，可以預測，若水輪機與導流罩的間距太小，對水流的阻力太大，水流也可能繞過導流罩從周圍流走，反而使導流罩內流速減小，因此導流罩對水輪機的影響作用需進一步系統研究。現選取導流罩入口角度a(因素A)、出口角度b(因素B)、導流罩間距與水輪機旋轉直徑之比，即D2/D(因素C)為影響水輪機動力性能的主要因素。對上述每一個影響因素取4水平，制定了16組正交設計方案。具體因素水平見表1，16個數值模擬方案見表2。

表1 因素水平表(3因素4水平)

表2 正交設計方案

2 計算模型

本文基于雷諾平均的N-S方程，采用二維CFD方法對問題進行分析，湍流模型選用RNGk-ε模型。采用鄰近修正PISO算法求解壓強-速度耦合，加快收斂速度，節省運算量。對流項采用二階迎風格式。壁面附近采用標準壁面函數方法處理。

計算區域左邊設定為速度入口邊界條件，來流速度為1.5 m/s，葉輪旋轉角速度ω=11.5 rad/s，右邊設定為壓力出口邊界，上下為對稱邊界，導流罩以及葉片為固壁邊界條件，旋轉域的轉速根據輪機轉速設定，且與外部靜止域的交界為滑移邊界。計算域由外部靜止域和內部旋轉域組成，葉片包裹于旋轉域內，內部旋轉域直徑D=1.4 d，計算域前端取為5L2(L2為導流罩總長度)，后端取為10L2，上下距離取為10D1(D1為導流罩入口間距)，計算域尺寸如圖3所示。為了保證計算的精確性，在葉片、導流罩、滑移壁面處的網格均需進行加密，通過對不同網格數量和計算流體域尺寸進行無關性校驗后，最終生成導流罩與水輪機計算網格，加密后水輪機附近的網格如圖4所示。

圖3 整體計算區域

圖4 水輪機網格

3 單獨導流罩流場結果分析

在討論加裝導流罩橫軸水輪機的水動力特性之前，先對無水輪機情況下導流罩的增速特性進行計算分析，并據此得出導流罩中水輪機所處的橫向位置。圖5分別給出了方案9(入口角度a=26°、出口角度b=16°、D2/D=1.6)和流速1.5 m/s情況下，導流罩的速度與壓力分布云圖。

圖5 導流罩的流場云圖(方案9)

由速度云圖可看出：導流罩的水平段處流速值最大，處于主流區，該區域最大流速為來流流速的1.9倍。由壓力云圖可看出：由于導流罩頭部尖端處對水流的阻擋作用，該區域水流速度相對較小，靜壓值較大，當進入導流罩內部時，靜壓值逐漸減小，出現負壓，當到達導流罩水平段中心位置時，靜壓值急劇減小，負壓繼續增大，引起較大壓差，產生強烈抽吸作用，從而使更多的流體進入導流罩內，達到增加流體速度的目的。因此，將水輪機安放在導流罩的水平段中心位置，可獲得較高的速度，從而提高能量利用率。

4 加裝導流罩水輪機的水動力性能

為了討論加裝導流罩后，導流罩對水輪機性能的影響，表3給出前文所述工況下(見表2)水輪機的力矩系數Cm、能量利用率Cp。查閱參考文獻[14]，其他條件相同下，未加裝導流罩的水輪機Cp為34.6%，與表3中數據對比發現，本研究參數下，加裝導流罩后的Cp可增加25%～68%，該線型導流罩聚能作用非常明顯。由表3可知，方案12獲得的能量利用率最大，Cp=0.581。

表3 水輪機水動性能參數模擬值

為排除隨機因素，明確各結構參數的主次順序，需要對表3中的數據作極差分析。極差分析結果如表4所示，其中Ki為相應水平i的試驗結果之和，Kimean為相應水平i的試驗結果的平均值，R為極差。由表4可知，RB>RC>RA，因此導流罩結構參數對水輪機能量利用率Cp的影響順序為：出口角度>導流罩間距>入口角度。

為進一步得到能量利用率Cp隨各因素的變化規律，由表4數據繪制圖6，橫坐標為各因素對應的水平，縱坐標為為相應水平i的試驗結果的平均值Kimean，也可理解為該水平下Cp的平均值。結合表4及圖6可得：

圖6 Cp與3個因素相應水平的關系

表4 以Cp為指標的極差結果分析

(1)因素A。Cp隨入口角度a的變化并不明顯，且Cp隨著a的增加有微小的下降趨勢，從a=22°時的0.523減小到a=28°時的0.513，降幅為2%，總體上降幅很小。本研究中，可取a=22°。

(2)因素B。Cp隨著出口角度b的增加明顯增加，Cp從b=16°時的0.472增加到b=22°時的0.563，增幅為19%。本研究中，當出口角度b=22°

時，水輪機能量利用率最高。

(3)因素C。能量利用率Cp隨著導流罩間距D2與的增加先增加后減小。因此，在一定范圍內，增加D2可有效地提高Cp，Cp存在一最大值，之后隨著D2的繼續增加，Cp不斷減小。本研究中，當D2=1.3 m(D2/D=1.4)時，Cp最大。

綜上所述，對于本研究的橫軸水輪機，當a=22°，b=22°，D2/D=1.4時，將獲得最為理想的Cp。

5 結 論

本文采用數值模擬的方法對5葉片橫軸水輪機在有無導流罩的情況下水動力性能及能量利用率進行了分析，結果表明加裝導流罩能夠增加來流速度，并且導流罩結構參數會對水輪機的水動力性能造成一定的影響。主要結論如下：

(1)導流罩在一定程度上增大了來流的速度，水平段中心處速度可增大至原來的2倍左右，為水輪機放置的最佳位置提供了理論依據，將水輪機安放在此，可獲得較高的速度，從而提高能量利用率。

(2)比較有、無導流罩情況下的橫軸水輪機的模擬結果發現，葉輪外圍加裝導流罩，可增加水輪機能量利用率25%～68%，驗證了該線型導流罩聚能作用非常明顯。

(3)橫軸水輪機能量利用率影響的大小依次為：導流罩出口角度、間距、入口角度。在一定范圍內增加出口角度可有效提高能量利用率；當導流罩間距為1.4倍水輪機旋轉直徑時，其能量利用率達到最大；入口角度對能量利用率影響較小。