高 杰 龔希武 張 恒

（浙江海洋大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022）

三維豎軸潮流水輪機(jī)水動(dòng)力性能研究

高 杰 龔希武 張 恒

（浙江海洋大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 舟山316022）

豎軸水輪機(jī)作為潮流能轉(zhuǎn)換為電能的核心裝置，其水動(dòng)力性能的優(yōu)劣將會(huì)直接影響到整體發(fā)電系統(tǒng)的效率。為了研究大型豎軸水輪機(jī)葉片安裝角對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響，基于多參考系模型（MRF），采用Fluent軟件對(duì)流場(chǎng)中的模型進(jìn)行3D數(shù)值模擬。在轉(zhuǎn)速和來(lái)流速度保持不變，改變安裝角時(shí)，分析同種翼型5個(gè)不同安裝角葉片對(duì)潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力性能的影響。同時(shí)分析在同一安裝角和旋轉(zhuǎn)速度條件下，不同來(lái)流速度對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響。結(jié)果表明，葉片安裝角對(duì)豎軸潮流水輪機(jī)的能量利用率影響較大，來(lái)流速度對(duì)水輪機(jī)葉片表面的靜壓力和輸出功率具有一定的影響。研究結(jié)果對(duì)今后豎軸水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有借鑒意義。

潮流能水輪機(jī)；水動(dòng)力性能；安裝角；流速；數(shù)值模擬

引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類(lèi)在生產(chǎn)生活中對(duì)能源的需求與日俱增，以化石能源為主的能源日益枯竭，與此同時(shí)，人類(lèi)的生活環(huán)境也遭到前所未有的污染。由于潮流能具有無(wú)污染、儲(chǔ)存能量高、可再生且具有可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，豎軸潮流能水輪機(jī)作為潮流能轉(zhuǎn)換為電能的核心裝置，啟動(dòng)方便，工作不受來(lái)流方向改變而受到影響，得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前，豎軸潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力特性的研究方法主要有動(dòng)量定理法［2］、渦方法［3］以及基于雷諾平均Navier-Stocks方程求解N-S方程的CFD方法［4］。為設(shè)計(jì)出工作效率更高的潮流能水輪機(jī)，很多研究者對(duì)水輪機(jī)豎軸進(jìn)行過(guò)大量研究。付士鳳［5］基于滑移網(wǎng)格分析了不同翼型對(duì)潮流能水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和水動(dòng)力性能的影響。張亮［6］建立了葉片偏角變化規(guī)律的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，從而提高了水輪機(jī)的能量利用率。朱萍［7］同樣運(yùn)用滑移網(wǎng)格對(duì)垂直軸水輪機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬。但是對(duì)于豎軸水輪機(jī)，其研究的主要是直徑不超過(guò)3.5 m的小直徑水輪機(jī)，鑒于此種情況，文章在以上研究基礎(chǔ)上，建立了直徑為4 m的三維豎軸潮流水輪機(jī)，運(yùn)用Fluent模擬軟件對(duì)比了在五種不同葉片安裝角時(shí)的水輪機(jī)功率系數(shù)，找出最佳安裝角，并在此基礎(chǔ)上分析了在不同來(lái)流速度下葉片及其周?chē)膲毫退俣茸兓?，為以后進(jìn)行模型試驗(yàn)和葉片優(yōu)化提供參考。

1 豎軸潮流水輪機(jī)模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，運(yùn)用Solidworks三維建模軟件建立水輪機(jī)模型（見(jiàn)圖1），并通過(guò)網(wǎng)格化軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并用形狀函數(shù)對(duì)水輪機(jī)葉片周?chē)约靶D(zhuǎn)域進(jìn)行網(wǎng)格加密（見(jiàn)圖2）。

圖1 豎軸潮流水輪機(jī)模型

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

表1 三維豎軸水輪機(jī)模型參數(shù)

表1為該水輪機(jī)模型參數(shù)。對(duì)于豎軸水輪機(jī)，葉輪高徑比范圍在0.8 ～ 1.5，本文選1。采用Fluent軟件，設(shè)置流速V = 2 m/s、轉(zhuǎn)速ω = 1.4 rad/s。葉片安裝在0.30c～0.50c之間，水動(dòng)力性能較好［8］，本文選取0.50c處。

2 邊界條件設(shè)置

入口采用Velocity速度入口，出口采用Pressure-out壓力出口，旋轉(zhuǎn)域與流場(chǎng)域通過(guò)Interface面實(shí)現(xiàn)流體的自由交流，求解器為基于壓力基，定常運(yùn)動(dòng)。選擇湍流模型標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon，水輪機(jī)葉片設(shè)置為Moving Wall，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)模型選擇MRF模型，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸為Z軸、旋轉(zhuǎn)點(diǎn)（0，0，0）和額定轉(zhuǎn)速1.4 rad/s。壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，離散化格式中壓力為Second Order Upwind二階迎風(fēng)格式。

水電機(jī)組以流速 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的雷諾數(shù)：

湍流強(qiáng)度的計(jì)算公式：

輸出功率：

功率系數(shù)：

橫截面積：

式中：M為轉(zhuǎn)矩，N·m；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Cp為功率系數(shù)，h為葉片展長(zhǎng)，m；D為水輪機(jī)直徑，m。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同葉片安裝角時(shí)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能

如表2所示，在相同來(lái)流速度下，隨葉片安裝角的增加，水輪機(jī)的功率系數(shù)呈先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，且系數(shù)范圍在理想最大功率系數(shù)0.59范圍之內(nèi)，符合實(shí)際水輪機(jī)工作狀況。

表2 不同葉片安裝角下的輸出功率以及功率系數(shù)

由表2可見(jiàn)，當(dāng)水輪機(jī)安裝角在-11°時(shí)，功率系數(shù)相對(duì)較大；到-12°時(shí)，功率系數(shù)下降。下文將直接分析當(dāng)安裝角由-7°～ -11°間的變化過(guò)程。

如下頁(yè)圖3所示，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，隨著來(lái)流速度的增加，水輪機(jī)的功率系數(shù)逐漸減小。雖然安裝角不同，但其變化趨勢(shì)是一致的。可見(jiàn)，隨著安裝角由-7°～ -11°，水輪機(jī)的能量利用率逐漸增加，當(dāng)安裝角達(dá)到-11°時(shí)，其轉(zhuǎn)矩以及輸出功率達(dá)到了最大值。根據(jù)式（4）可知具有對(duì)應(yīng)最高能量利用率。

在不同葉片安裝角情況下，水輪機(jī)葉輪中心線處的靜壓力變化曲線基本一致，但是隨著安裝角的逐漸增加，水輪機(jī)迎流面與背流面的壓力差越來(lái)越大。葉片壓力面與吸力面之間的壓差越大、工作效率越高，說(shuō)明在安裝角達(dá)到-11°時(shí)，水輪機(jī)工作效率最高，這與之前得到的論證相符合。下面將選擇安裝角為-11°的水輪機(jī)進(jìn)行水動(dòng)力性能分析。

3.2 速度與靜壓力曲線分析

Line-20過(guò)葉輪正中心的一條直線，Line - 21和Line - 22為過(guò)葉輪左右邊緣的兩條直線，下面是安裝角為-11°，速度為2 m/s時(shí)沿三條直線不同位置處的速度變化曲線和靜壓力變化曲線。

經(jīng)圖5、圖6分析，在同一葉片安裝角、不同位置處，靜壓力和水流速度經(jīng)過(guò)水輪機(jī)葉輪后均恢復(fù)至和原來(lái)數(shù)值。在水輪機(jī)葉輪中心線處，靜壓力有突變趨勢(shì)，因?yàn)槿~片和輪轂正對(duì)水流，受到水流對(duì)葉輪的正壓力，于是葉輪壓力面的壓力瞬間升高；但是在葉輪背面，作為吸力面，靜壓力變?yōu)樨?fù)值，正是由于葉輪壓力面與吸力面的壓力差，才會(huì)推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)工作。在相同葉片安裝角時(shí)，在葉輪中心線處和葉輪兩個(gè)邊緣處，中心線處速度會(huì)先下降再上升，而兩側(cè)則不同，在下側(cè)速度先上升再下降，上側(cè)先下降再上升。這與水輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，來(lái)流方向與水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，速度會(huì)先下降再恢復(fù)，而與水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同時(shí)，速度會(huì)先上升再恢復(fù)。朱萍［7］的研究也印證了這一點(diǎn)。

圖3 功率系數(shù)隨安裝角變化

圖4 不同葉片安裝角時(shí)水輪機(jī)中心線靜壓力變化圖

圖6 速度變化曲線

圖7 不同流速下靜壓力曲線

葉片安裝角為-11°時(shí)，不同來(lái)流速度下的葉輪中心線處的靜壓力變化為：若水輪機(jī)葉輪前后壓力完全相同，當(dāng)遇到水輪機(jī)時(shí)，該處?kù)o壓力均呈現(xiàn)出先突增再突減的狀態(tài)，但若是速度不同，其最大和最小靜壓力值也不相同。來(lái)流速度越大，最大靜壓力值越大，最小靜壓力值越小，水流速度越大能量越高，于是對(duì)水輪機(jī)葉片產(chǎn)生的表面靜壓力也就越大，與事實(shí)相符合。

3.3 速度云圖分析

速度云圖如圖8所示。當(dāng)安裝角為-11°時(shí)，來(lái)流速度從1.5 m/s到3 m/s的過(guò)程中，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域尾流平均速度也越來(lái)越大，葉輪內(nèi)部的擾動(dòng)增強(qiáng)，尾流區(qū)域由平穩(wěn)變得紊亂，流場(chǎng)中出現(xiàn)漩渦且漩渦作用范圍增大。來(lái)流速度的改變將會(huì)影響流場(chǎng)的分布和水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響水輪機(jī)的輸出功率。

圖8 速度云圖

設(shè)置其他參數(shù)保持不變，改變來(lái)流速度，來(lái)流速度依次取為1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s。分別得出四種工況下水輪機(jī)的輸出功率，其功率輸出曲線如下頁(yè)圖9所示。

圖9 輸出功率曲線

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于直徑4 m的水輪機(jī)，采用NACA0018翼型時(shí)，安裝角選擇-11°有較好的功率系數(shù)，使潮流能得到充分利用。

（2）當(dāng)安裝角為-11°時(shí)，水輪機(jī)壓力面與吸力面的壓差值最大，壓差值越大水輪機(jī)工作效率越高。

（3）對(duì)于三葉片豎軸水輪機(jī)，其沿來(lái)流中心線處的壓力與葉片邊緣處的壓力不一致，這與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向同來(lái)流方向是否一致有關(guān)。

（4）在葉片安裝角相同時(shí)，葉片表面壓力差與來(lái)流速度有關(guān)。速度越大、壓力越大，所以在進(jìn)行葉片材料選取和安裝時(shí)，要綜合考慮水域水流速度，以提高使用壽命。

（5）當(dāng)葉片安裝角相同時(shí)，來(lái)流速度增加，水輪機(jī)輸出功率先增加后減小，這是由于來(lái)流速度過(guò)大，容易造成流場(chǎng)尾流紊亂，從而減小水輪機(jī)的輸出功率。

［1］汪魯兵.豎軸潮流水輪機(jī)水動(dòng)力性能理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2006.

［2］劉培檢.垂直軸水輪機(jī)水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬研究［D］.華南理工大學(xué)，2013.

［3］Li Y，Calisal S M.A discrete vortex method for simulating a stand-along tidal-current turbine：modeling and validation［J］.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2010（3）：1-9.

［4］李志川，張亮，孫科，等.垂直軸潮流水輪機(jī)數(shù)值模擬研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2011（09）：1321-1326.

［5］付士鳳，李龍，鄧力，等.基于滑移網(wǎng)格的垂直軸潮流水輪機(jī)的三維數(shù)值模擬［J］.水電能源科學(xué)，2014（7）：140-143，119.

［6］張亮，羅慶杰，韓榮貴.垂直軸潮流能水輪機(jī)葉片偏角優(yōu)化［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（S1）：281-285.

［7］朱萍，成明.垂直軸潮流水輪機(jī)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬［J］.現(xiàn)代電力，2012（2）：68-71.

［8］李志川，張學(xué)偉，張亮，等.固定偏角垂直軸潮流能水輪機(jī)葉片安裝位置試驗(yàn)研究［J］.可再生能源，2012（4）：37-41.

On hydrodynamic performance of three dimensional vertical shaft tidal current turbine

GAO Jie GONG Xi-wu ZHANG Heng
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

Vertical shaft turbine is the core device of the tidal energy conversion to electric energy，and its hydrodynamic performance will directly affect the efficiency of the whole power system.The 3D numerical simulation for the model in the flow field is carried out by Fluent with the multi reference system model（MRF）to research the influence of the installation angle of the large vertical shaft turbine blade on the hydrodynamic performance of the turbine.The influence of the blade installation angle on the hydrodynamic performance of the tidal current energy turbine is analyzed with five different blade installation angle but the same foil shape by keeping constant rotating speed and flow rate.The influence of inflow velocity is also analyzed with different rotating velocities but the same installation angle.The results show that the blade installation angle has a great influence on the energy utilization rate of the vertical shaft tidal current turbine，and the inflow velocity has a certain influence on the static pressure and the output power of the turbine blade surface.It can provide references for the design and production of the vertical shaft turbine in future.

tidal current energy turbine； hydrodynamic performance； installation angle； flow rate； numerical simulation

TK73

A

1001-9855（2016）05-0022-06

國(guó)家自然科學(xué)基金：海上風(fēng)能/潮流能互補(bǔ)發(fā)電浮式基礎(chǔ)載荷與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究（編號(hào)：No.51579223）。

2016-06-25；

2016-07-13

高 杰（1990-），男，碩士，研究方向：海上潮流能發(fā)電。龔希武（1973-），男，副教授，研究方向：海上潮流能發(fā)電。張 恒（1987-），男，碩士，研究方向：海上潮流能發(fā)電。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.022