仲 夏 包勝平

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

海洋能是一種清潔的可再生能源，取之不盡用之不竭，資料表明，全球海洋能約500億kW.采用新型圓柱形浪潮流發(fā)電裝置能有效地將海洋能轉(zhuǎn)換為電能，并將電能提供給立管式海洋平臺，因此浪潮流發(fā)電裝置與立管式海洋平臺構(gòu)成取能－換能－用能的統(tǒng)一系統(tǒng).海洋平臺下方共4根立管，呈正方形分布；海洋平臺周邊有4個圓柱形浪潮流發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置不僅能為海洋平臺提供電能，還能減小水流對海洋平臺立管的沖擊作用.

現(xiàn)在很多學(xué)者在研究單圓柱方面主要開展不同雷諾數(shù)的圓柱繞流情況，以及圓柱的渦激振動；但是對于圓柱繞流不僅有單圓柱情況，也有相同大小圓柱的相互干擾問題.本文圍繞實際問題——立管式海洋平臺垂向螺旋槳式浪潮流發(fā)電系統(tǒng)相對位置優(yōu)化的簡化模型展開研究，優(yōu)化的目的主要是減少水流對海洋平臺立管的沖擊作用，而對圓柱形發(fā)電裝置的受力不做研究，因為圓柱形發(fā)電裝置即使不和立管作為一系統(tǒng)布置，也會受到同樣的水流作用力.

1 新型圓柱形浪潮發(fā)電裝置簡介

本裝置為圓柱形，見圖1.當(dāng)所在水域出現(xiàn)浪潮流時，圓柱空腔壁內(nèi)水位上升，推動對稱槳，使其產(chǎn)生周向誘導(dǎo)速度，從而進行旋轉(zhuǎn)，將水的動能轉(zhuǎn)變成對稱槳的動能，進而帶動鏈條式能量轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的一條鏈條進行傳動，最終使其相應(yīng)的發(fā)電機進行發(fā)電；當(dāng)浪潮流退去，圓柱空腔壁水位下降，推動對稱槳，使其產(chǎn)生反向的周向誘導(dǎo)速度，從而進行反向旋轉(zhuǎn)，將水的勢能轉(zhuǎn)變成對稱槳的動能，進而帶動鏈條式能量轉(zhuǎn)換器另一鏈條進行傳動，最終使另一發(fā)電機進行發(fā)電.

2 單個立管的圓柱繞流計算

首先對立管的簡化模型——單圓柱進行繞流的二維流場模擬，取立管直徑0.01m，采用FLUENT軟件計算Re＝200（v＝0.020 08m／s）和Re＝10 000（v＝1m／s）時的單圓柱繞流，得出升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及斯托羅哈數(shù)的變化規(guī)律，并將結(jié)果與已有文獻結(jié)果對比，證明該計算方法的可靠性.

圖1 新型圓柱形浪潮流發(fā)電裝置側(cè)視圖

本文主要求解雷諾數(shù)Re＝1 0 0和1 0 0 0 0時的圓柱繞流情況，Re＝100時圓柱繞流為層流繞流，Re＝10 000時，雖然圓柱后部為湍流流動，但是圓柱表面仍為層流流動，故在分析靜止圓柱本身受力時可以視為層流流動.

由連續(xù)性方程、動量方程可以得到描述二維不可壓縮粘性流體的基本方程：納維斯－斯托克斯方程（N－S方程）［1］

采用有限體積法對上述偏微分方程進行離散，然后用SIMPLE算法對離散方程進行求解，計算中時間推進采用一階隱式格式，空間離散采用二階迎風(fēng)格式.觀察結(jié)果所用參數(shù)采用如下.

式中：Sr為斯托羅哈數(shù)，取決于結(jié)構(gòu)的形狀斷面；f為旋渦脫落頻率；D為結(jié)構(gòu)的特征尺寸（圓柱取直徑D）；U為來流速度.

式中：Cl，Cd分別為升力系數(shù)、阻力系數(shù)；Fl，F(xiàn)d分別為單位長度結(jié)構(gòu)（圓柱）上的升力和阻力.

2.1 計算Re＝200的圓柱繞流

考慮到計算精度，取D＝0.01m的圓柱作為計算模型.流動介質(zhì)為水，密度ρ＝998.2kg／m3，粘性系數(shù)μ＝0.001 003kg／（m·s），來流速度U∞＝0.020 08m／s，其雷諾數(shù)Re為200.

將流場計算域定為：單圓柱繞流選取流場大小為進口距圓柱中心0.125m，出口距圓柱中心0.375m，上下邊界距圓柱中心各為0.125m，D＝0.01m.

采用Meshing軟件劃分流場網(wǎng)格，采用三角形網(wǎng)格，數(shù)值計算的邊界條件：入口為速度入口，出口是outflow出口，頂部和底部邊界為對稱面邊界條件，圓柱及阻隔板表面均為壁面無滑移條件，見圖2.

圖2 圓柱繞流流場的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格畫好后進入FLUENT計算，transient求解，采用laminar模式計算，時間步長設(shè)定為0.05s.所得結(jié)果見圖3～4.

圖3 Re＝200時的升力系數(shù)曲線

將計算所得結(jié)果和參考論文結(jié)果列于表1進行比較.

圖4 Re＝200時的阻力系數(shù)曲線

表1 量綱－的量參數(shù)對比（Re＝200）

通過對比可得，F(xiàn)LUENT在Re＝200的計算情況下是比較可靠的.

2.2 計算Re＝10 000的圓柱繞流（v＝1m／s）

網(wǎng)格畫好后進入FLUENT計算，transient求解，采用laminar模式計算（由于此雷諾數(shù)時圓柱處仍為層流泄渦），時間步長設(shè)定為0.005s，其他設(shè)置均同Re＝200的情況.

將計算所得結(jié)果和參考論文結(jié)果列于表2進行比較.

表2 量綱－的量參數(shù)對比（Re＝10 000）

通過2個雷諾數(shù)的計算，充分證明FLUENT計算圓柱繞流相關(guān)無因次參數(shù)的可靠性，圓柱上、下表面脫落的旋渦交錯出現(xiàn)，然后進入尾跡，形成著名的“卡門渦街”.基于此，將FLUENT用于雷諾數(shù)為10 000時新型圓柱形浪潮發(fā)電裝置和立管式海洋平臺系統(tǒng)相對位置的優(yōu)化.在一定程度上使立管受力最小，從而起到保護立管的作用，延長立管的使用時間.

3 系統(tǒng)位置優(yōu)化

一般發(fā)電裝置為多個，但取4個作為研究：（1）可以比較好的模擬實際；（2）將裝置和立管式海洋平臺呈中心對稱布置，不用考慮浪潮的多向性和多變性，便于運算.

在此基礎(chǔ)上有2種位置組合，如圖5，圖6.

圖5 位置組合一

圖6 位置組合二

如圖5和圖6所示，利用流場分析軟件ANSYS對這2種系統(tǒng)組合中的立管進行受力分析，并依據(jù)所受阻力大小為位置優(yōu)化依據(jù)，同時和沒有發(fā)電裝置的情況進行比較，計算技術(shù)路線為：ANSYS建?！W(wǎng)格劃分—Fluent流場分析［8］.

3.1 ANSYS建模及網(wǎng)格劃分

一般海洋平臺立管直徑為0.25m，相鄰立管間的距離為10m，發(fā)電裝置中心到4個立管中心的水平距離為13m，將現(xiàn)實條件簡化進行模型的計算，參考文獻［2］海洋平臺立管模型直徑為0.01m，相鄰立管間的距離為0.4m，發(fā)電裝置中心到四個立管中心的水平距離為0.52m，速度取為1m／s，雷諾數(shù)即為10 000.將這2種系統(tǒng)組合在ANSYS分別進行建模，考察在圓柱形發(fā)電裝置的影響下立管所受阻力系數(shù)，并和無發(fā)電裝置時的立管受力進行對比分析.

3.2 FLUENT流場及受力

［5］選擇來流速度1m／s，進行立管在流場中的阻力系數(shù)的分析.

圖7為無發(fā)電裝置時立管阻力系數(shù)曲線圖，此時4個立管阻力系數(shù)值分別為：0.31，0.36，0.31，0.35，總阻力系數(shù)為1.33.

圖7 無發(fā)電裝置時立管阻力系數(shù)曲線圖

3.3 立管受力分析

現(xiàn)將3種情況的所受阻力系數(shù)列于表3進行對比（左上角為第1立管，右上角為第2立管，左下角為第3立管，右下角為第4立管.其他2種位置也按照此位置排列），見表3.

表3 三種情況的所受阻力系數(shù)對比

由表3可見：位置組合一立管所受阻力，小于無發(fā)電裝置時立管所受的阻力，優(yōu)化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，同時在最大值比較上也比無發(fā)電裝置時較小（0.35＜0.36）；位置組合二立管所受阻力大于位置組合一立管所受阻力，相對無圓柱形發(fā)電裝置時立管所受阻力稍小，優(yōu)化率η＝｜1.31－1.33｜／1.33＝1.5%，所以這種情況雖然也有優(yōu)化的效果，但是不明顯.

4 結(jié)論與展望

1）通過采用FLUENT軟件計算Re＝200和Re＝10 000時的單圓柱繞流，得出升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及斯托羅哈數(shù)的變化規(guī)律，將所得結(jié)果與已有文獻結(jié)果對比，證明了該計算方法在兩者雷諾數(shù)情況下的可靠性.

2）對發(fā)電裝置和海洋平臺組成的系統(tǒng)位置進行分析，比較3種情況的阻力系數(shù)，得出：位置組合一為系統(tǒng)位置優(yōu)選解，均小于無發(fā)電裝置和位置組合二的立管所受阻力，優(yōu)化率η＝｜1.28－1.33｜／1.33＝3.8%，能夠在一定程度上起到減小立管所受阻力，有效減少水流對立管的沖擊作用，保護立管，對生產(chǎn)實踐有一定的指導(dǎo)意義.

3）綜合3種情況，可以發(fā)現(xiàn)有圓柱形發(fā)電裝置擋住立管時，立管的受力在不同程度上減小了，如果能夠再將圓柱形發(fā)電裝置在位置上進行合理的優(yōu)化，最終可求得一個使立管的所受阻力在最大程度上減小的位置，得出位置最優(yōu)解.

通過分析雖然得出了系統(tǒng)布置的優(yōu)選解——位置組合一，但是這只是在角度上的優(yōu)化，接下來還應(yīng)該基于此在距離方面進行優(yōu)化，最終確定優(yōu)選距離，使立管所受阻力最小，從而最大可能地保護立管.

參考文獻

［1］楊紀(jì)偉，滕麗娟，胥戰(zhàn)海.多圓柱繞流旋渦脫落和流場形態(tài)概論［J］.人民長江，2009，40（3）：66－86.

［2］丁代偉.圓柱繞流及渦激振動的二維數(shù)值模擬［D］.天津：天津大學(xué)，2010.

［3］WU G X，HU Z Z.Numerical simulation of viscous flow around unrestrained cylinders［J］.Journal of Fluids and Structures，2006（22）：371–390.

［4］張群峰，何鴻濤，呂志詠.二維圓柱層流繞流及其控制數(shù)值模擬［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（5）：1187－1193

［5］詹 昊，李萬平，方秦漢，等.不同雷諾數(shù)下圓柱繞流仿真計算［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（12）：129－132.

［6］楊 爍，吳寶山.二維圓柱繞流數(shù)值模擬［J］.中國造船.2007，48（增刊）：533－540

［7］陳 偉，宗 智.二維圓柱繞流的離散渦數(shù)值模擬［J］.艦船科學(xué)技術(shù).2010，32（5）；111－115

［8］梁亮文.低雷諾數(shù)下圓柱橫向受迫振蕩和渦激運動的數(shù)值分析［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009.