不同介質(zhì)300 W 葉輪動(dòng)力特性測(cè)試與數(shù)值模擬研究

摘 要： 為探究海流機(jī)與風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力學(xué)相似特征，研究葉輪在不同介質(zhì)中的動(dòng)力特性變化規(guī)律。通過300 W 葉輪的水槽試驗(yàn)與空氣中車載試驗(yàn)對(duì)葉輪輸出功率進(jìn)行測(cè)試，并建立一套針對(duì)不同介質(zhì)中300 W 葉輪的數(shù)值仿真模型。結(jié)果表明，水槽試驗(yàn)在葉尖速比最高點(diǎn)動(dòng)力特性較低，葉輪動(dòng)力特性隨葉尖速比的減小而升高；車載試驗(yàn)中葉輪動(dòng)力特性隨葉尖速比升高呈先上升后下降趨勢(shì)，在葉尖速比為4.8 時(shí)功率因數(shù)最大為29%；同時(shí)通過數(shù)值模擬分析300 W葉輪在不同介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)情況。得出葉輪在水中渦流損失較小，但葉輪后方尾流低速區(qū)面積較大，導(dǎo)致葉輪利用效率降低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水與空氣中來流流速越大尾流低速區(qū)恢復(fù)越快。對(duì)比試驗(yàn)與仿真模擬動(dòng)力特性變化規(guī)律一致。該文利用試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的合理性，為后續(xù)葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)研究提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 葉輪機(jī)械; 不同介質(zhì); 動(dòng)力特性; 水槽試驗(yàn); 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： TB9; TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）03–0105–08

0 引 言

葉輪機(jī)械可將自然界中的流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而產(chǎn)生所需電能，廣泛用于海流發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電之中，是我國(guó)利用清潔能源的主要研究對(duì)象，在“十四五”規(guī)劃中，強(qiáng)調(diào)要注重風(fēng)電和水電能源的發(fā)展。葉輪機(jī)械作為主要能量捕獲部件對(duì)海流機(jī)與風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用影響較大，海流機(jī)在低于2 m/s 流速下的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差，且實(shí)現(xiàn)對(duì)小于1 m/s 微小流速下海流能的利用較為困難，因此設(shè)計(jì)制造適用于低流速的葉輪機(jī)械至關(guān)重要。

對(duì)于低流速發(fā)電海流機(jī)葉輪設(shè)計(jì)多參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其研究多以試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值仿真為主，浙江大學(xué)周宏賓等人[1] 根據(jù)海流能特點(diǎn)設(shè)計(jì)低流速海流能樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)0.7 m/s 啟動(dòng)，機(jī)組的整機(jī)效率約為27.3%。哈爾濱工程大學(xué)[2] 自主設(shè)計(jì)葉輪直徑4 m的“海能Ⅱ”號(hào)實(shí)現(xiàn)0.8 m/s 流速啟動(dòng)。Myers 等[3]利用循環(huán)水通道對(duì)水平軸海流機(jī)進(jìn)行測(cè)試，表明偏航對(duì)最佳功率的影響規(guī)律。愛爾蘭OpenHydro 公司[4] 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子形式水平軸水輪發(fā)電機(jī)在0.7 m/s成功發(fā)電。英國(guó)MCT 公司推出直徑為16 m 的SeaGen 發(fā)電機(jī)，在水深20 m 以下實(shí)現(xiàn)0.7 m/s 工作流速。英國(guó)SMD 公司設(shè)計(jì)的Tidel 水輪機(jī)也實(shí)現(xiàn)了0.7 m/s 正常工作。仿真方面Gu 等[5] 為降低研發(fā)成本，通過雙向流固耦合仿真模擬海流機(jī)葉片與流場(chǎng)的相互作用，得出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。Avital 等[6] 通過仿真研究雙轉(zhuǎn)子水平軸海流機(jī)水動(dòng)力性能，通過改變?nèi)~片安裝角將功率利用系數(shù)提高至0.55。

為提高海流機(jī)葉輪能量捕獲效率，譚俊哲等[7]基于相似理論，根據(jù)發(fā)展相對(duì)成熟的風(fēng)力機(jī)葉輪設(shè)計(jì)理論對(duì)軸流式海流機(jī)葉輪進(jìn)行縮放實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)韓巧麗團(tuán)隊(duì)[8] 通過相似理論推導(dǎo)分析得到水與空氣介質(zhì)的聯(lián)系，并利用車載試驗(yàn)驗(yàn)證了相似準(zhǔn)則的合理性。基于相似理論，參考低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究現(xiàn)狀，西班牙的Simen 和Gamesa 公司[9] 都研發(fā)了適用于7 m/s 以下的低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，國(guó)內(nèi)聯(lián)合動(dòng)力和金風(fēng)科技都推出了永磁低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。通過相似理論可研究葉輪機(jī)械在不同介質(zhì)中的動(dòng)力特性。針對(duì)不同介質(zhì)仿真系統(tǒng)研究，顧夢(mèng)凡等[10] 為提高水輪機(jī)在低流速下的運(yùn)行效率，利用Fluent 數(shù)值模擬探索尖速比對(duì)低流速水輪機(jī)葉片的流場(chǎng)特性和功率特性的影響。李淑江等[11] 通過 CFD 軟件基于 RNG k-ε 湍流模型對(duì)不同翼型進(jìn)行水動(dòng)力特性數(shù)值模擬計(jì)算。Rahimian等[12] 采用對(duì)比理論與數(shù)值模型對(duì)不同尺寸2 葉片葉輪進(jìn)行動(dòng)力特性評(píng)估，利用拖拽水槽試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估不同數(shù)值仿真方法對(duì)2 葉片模型性能預(yù)測(cè)的影響。Nachtane 等[13] 利用仿真模擬了潮汐式水輪機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)引起水動(dòng)力效應(yīng)。

綜上，海流機(jī)與風(fēng)力機(jī)獲取能量方式相似，但海流機(jī)葉輪存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、測(cè)試成本高等問題，研究葉輪機(jī)械在不同介質(zhì)中的動(dòng)力特性變化規(guī)律。采用相似準(zhǔn)則開展不同介質(zhì)中葉輪的動(dòng)力特性研究，并利用測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值仿真建立一套針對(duì)于海流機(jī)和風(fēng)力機(jī)不同介質(zhì)的數(shù)值仿真系統(tǒng)，能夠在前期設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出葉輪的動(dòng)力特性，建立空氣與水不同介質(zhì)之間葉輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律聯(lián)系，為后續(xù)葉輪設(shè)計(jì)提供有力支持，提高海流機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性，對(duì)低流速葉輪設(shè)計(jì)發(fā)展具有重要意義。