肖云峰，高鵬遠(yuǎn)，黃俊強(qiáng)，王　信，鄒文昊

（1.北京石油化工學(xué)院，北京　102617；2.北京化工大學(xué)，北京　100029）

水平軸潮流能水力渦輪數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

肖云峰1，高鵬遠(yuǎn)2，黃俊強(qiáng)1，王信1，鄒文昊1

（1.北京石油化工學(xué)院，北京102617；2.北京化工大學(xué)，北京100029）

首先，使用葉素動(dòng)量理論對(duì)所設(shè)計(jì)的室內(nèi)試驗(yàn)用小型水平軸潮流能水力渦輪葉片模型進(jìn)行初步計(jì)算，獲得其性能參數(shù)，此后借助NUMECA軟件，采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)水平軸水力渦輪進(jìn)行三維水動(dòng)力分析，得到其性能曲線，最后通過(guò)試驗(yàn)水槽進(jìn)行模型試驗(yàn)，對(duì)BEM計(jì)算結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：葉素動(dòng)量理論和CFD方法均能對(duì)水力渦輪性能進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，且CFD方法具有更高的精度；此外，根據(jù)CFD方法得到葉片表明的壓力分布，根據(jù)空化條件可知，該水力渦輪會(huì)發(fā)生空化。

BEM；CFD；水動(dòng)力性能；空化；實(shí)驗(yàn)

21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)能源如煤、石油、天然氣緊缺的問(wèn)題日漸凸顯。目前，我國(guó)石油消費(fèi)量居世界第二，超過(guò)50%依賴進(jìn)口。積極開(kāi)發(fā)與研究新型能源，消除我國(guó)能源隱患，使能源結(jié)構(gòu)合理化已經(jīng)成為大勢(shì)所趨[1]。潮流能作為一種新能源,具有蘊(yùn)藏能量大、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，在不占用陸地空間的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，這正好彌補(bǔ)了常規(guī)化石能源的不足之處。此外，隨著化石能源等不可再生能源的日益減少以及對(duì)環(huán)境的保護(hù)要求越來(lái)越高，如何有效開(kāi)發(fā)利用潮流能引起各國(guó)的高度重視。在海洋能的開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域中，潮流能的開(kāi)發(fā)利用已變得最為活躍[2]。

潮流能發(fā)電裝置的核心裝備為水力渦輪，其作用就是將海水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉輪的機(jī)械能，各國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)了多種不同形式水力渦輪。其中水平軸潮流能水力渦輪具有效率高、技術(shù)相對(duì)成熟的特點(diǎn)，同時(shí)可以借鑒水平軸風(fēng)力機(jī)開(kāi)發(fā)利用的經(jīng)驗(yàn)，是具有較好應(yīng)用前景的形式，在目前的潮流能開(kāi)發(fā)裝置中占到很大份額。筆者以自行設(shè)計(jì)的20 W潮流能水力渦輪為例，基于Qblade二維計(jì)算軟件和NUMECA流體三維模擬軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的葉片進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1　理論基礎(chǔ)

1.1葉素動(dòng)量理論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的理論有貝茨理論、動(dòng)量理論、葉素理論、葉素動(dòng)量理論[3-4]等。其中，葉素動(dòng)量理論結(jié)合了動(dòng)量理論和葉素理論，計(jì)算出風(fēng)輪掃掠面中的迭代變量軸向誘導(dǎo)因子a和周向誘導(dǎo)因子b。如圖1所示，風(fēng)輪流動(dòng)模型簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的單元流管，并將其離散成N個(gè)高度為dr的環(huán)形單元，單元之間沒(méi)有流動(dòng)。

圖1　葉素動(dòng)量理論單元流管模型

由動(dòng)量理論可得到作用在dr微段上的推力及轉(zhuǎn)矩：

通過(guò)葉素理論可以得到作用在dr微段的推力與轉(zhuǎn)矩：

由葉素理論和動(dòng)量理論得出的推力和轉(zhuǎn)矩相等，并由速度三角形可得：

1.2CFD基本理論

NUMECA公司的FINE/TURBO軟件包具有十分強(qiáng)大的流場(chǎng)計(jì)算和前后處理功能。FINE/TURBO采用時(shí)間相關(guān)法求解雷諾平均的N-S方程，離散方式為中心節(jié)點(diǎn)的有限體積法，以顯示四階RUNGEKutta法求解，并具有多重網(wǎng)格初場(chǎng)處理和多重網(wǎng)格迭代加速以及低流速的預(yù)處理技術(shù)。湍流模型為一方程Spalart-Allmaras（S-A）模型。

1.3葉片模型

水力渦輪為水平軸三葉片定槳型，葉片半徑0.19 m，額定功率20 W，葉尖速比為3，設(shè)計(jì)流速為1 m/s，葉片旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。

圖2　葉片模型

1.4計(jì)算域和網(wǎng)格

與風(fēng)力機(jī)相同，水力渦輪計(jì)算域包括內(nèi)部流動(dòng)域和外部繞流域，計(jì)算域的精準(zhǔn)程度關(guān)乎計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度，因此，必須嚴(yán)格把握計(jì)算域。根據(jù)水力渦輪實(shí)際工作情況確定計(jì)算區(qū)域包括葉片旋轉(zhuǎn)平面，進(jìn)口段和出口段，其中葉片展向延伸到3倍半徑（3R），考慮到水力渦輪下游尾流的影響葉片下游尺寸為5倍葉高，上游也設(shè)定為5R。

計(jì)算網(wǎng)格通過(guò)Igg/AutoGrid模塊生成，如圖3所示，由于葉片流道具有周期性，因此只需給出單列網(wǎng)格。最終生成的網(wǎng)格單列網(wǎng)格總數(shù)約為83萬(wàn)，無(wú)負(fù)網(wǎng)格，流道最小網(wǎng)格正交性為16.149，遠(yuǎn)場(chǎng)最小網(wǎng)格正交性為 16.218，流道最大長(zhǎng)寬比為767.39，遠(yuǎn)場(chǎng)為2 583.6，流道最大延展比2.976 4，遠(yuǎn)場(chǎng)為2.611 2。網(wǎng)格質(zhì)量符合計(jì)算要求。

比如，2005年起，石化銷售系統(tǒng)開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)增值稅市級(jí)集中繳納，因各市、區(qū)縣財(cái)政收入不均衡，導(dǎo)致市級(jí)集中納稅多沒(méi)有得到地方認(rèn)可，所以部分公司一直按各自經(jīng)營(yíng)所在地收入比例在當(dāng)?shù)厝霂?kù)繳納增值稅，其中依此計(jì)算的城建稅比例縣區(qū)是5%、市區(qū)是7%，相差兩個(gè)百分點(diǎn)，如果完全集中繳納，這兩個(gè)百分點(diǎn)的納稅幅度累積下來(lái)也是不小的開(kāi)支。所以，涉及企業(yè)完全可以在稅源不是十分緊張的情況下，利用各級(jí)稅種的稅負(fù)差別，逐漸減少或不實(shí)行集中納稅，放歸稅源所在地繳納，如果有減免或稅收優(yōu)惠政策的，可加以利用集中繳納，盡量把幾個(gè)百分點(diǎn)的減稅或增收作用利用起來(lái)。

圖3　網(wǎng)格示意圖

進(jìn)口邊界條件：給定水流軸向流速、靜溫以及湍流粘性。出口邊界條件設(shè)定壓力出口，輪轂可設(shè)定為Euler壁面，葉片表面設(shè)定為粘性壁面。當(dāng)計(jì)算殘差下降三個(gè)量級(jí)以上，總體性能參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定認(rèn)為收斂。

2　結(jié)果討論

2.1性能分析

根據(jù)CFD理論計(jì)算的額定工況下水力渦輪性能結(jié)果如圖4所示，在葉尖速比為3時(shí)，葉片功率系數(shù)達(dá)到最大值0.353 471，略大于設(shè)計(jì)點(diǎn)。與BEM方法計(jì)算結(jié)果比較，獲能系數(shù)和推力系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，而獲能系數(shù)曲線最高點(diǎn)左移，最大值有所下降，推力系數(shù)最大值也有所下降，這是因?yàn)槿~素動(dòng)量理論計(jì)算過(guò)程中忽略了葉尖損失、葉根損失等因素的影響。在葉尖速比為3時(shí)達(dá)到最大值，且獲能系數(shù)均超過(guò)0.35，而當(dāng)水流速度增大時(shí)，獲能系數(shù)增大，因此在合理范圍內(nèi)增大流速會(huì)使水力渦輪的性能有所提升，這對(duì)水力渦輪在實(shí)際運(yùn)用中有很好的指導(dǎo)作用。

圖4　額定工況下功率系數(shù)和推力系數(shù)隨葉尖速比變化趨勢(shì)

圖5　不同流速下的功率系數(shù)

2.2空化分析

空化現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在水力渦輪運(yùn)行過(guò)程中，空化的產(chǎn)生對(duì)水力渦輪性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[5]。空化是指水流沖擊水力渦輪葉片時(shí)，葉片吸力面產(chǎn)生負(fù)壓，低于一定壓力（氣化壓力）時(shí)，葉片表面形成氣泡，由于壓力過(guò)低，氣泡越來(lái)越大，氣泡破裂后對(duì)葉片形成沖擊，影響水力渦輪性能，由于累積作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)水力渦輪葉片造成損壞，因此研究水力渦輪的空化十分必要。

圖6　不同葉尖速比下葉片表面壓力分布

空化系數(shù)是用于判斷空化是否發(fā)生的一個(gè)重要表征，對(duì)比葉片表面壓力系數(shù)與空化系數(shù)的大小可以判斷空化是否發(fā)生?？栈瘮?shù)為：

式中：p0為葉片截面靜壓；PV為水氣化壓力；

對(duì)比各截面壓力與20℃水的氣化壓力值可知，各截面壓力均小于水氣化壓力值，因此會(huì)發(fā)生空化，隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片最小壓力值進(jìn)一步減小，空化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此對(duì)于控制葉片空化可以從降低轉(zhuǎn)速入手[6-7]。

表1　不同尖速比下吸力面最低壓強(qiáng)

表2　水在不同溫度下的氣化壓力值

3　試驗(yàn)研究

根據(jù)設(shè)計(jì)葉片的具體參數(shù)，利用數(shù)控加工進(jìn)行葉片制作。借助實(shí)驗(yàn)室自行搭建的敞開(kāi)式試驗(yàn)水槽進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器包括：水泵、變頻器、扭矩傳感器、發(fā)電機(jī)交直流功率測(cè)量?jī)x以及流速測(cè)量?jī)x[7]。

圖8　試驗(yàn)水槽

圖9　試驗(yàn)葉片

圖10　試驗(yàn)過(guò)程

3.1葉片性能實(shí)驗(yàn)

葉片性能實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)目的：一是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的葉片性能是否滿足要求；二是驗(yàn)證利用BEM方法和CFD方法計(jì)算結(jié)果的正確性。

圖11　水力渦輪性能曲線

圖11為三葉片水力渦輪分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)、BEM方法和CFD方法得到的性能曲線。由圖11可知，BEM和CFD方法的計(jì)算值與試驗(yàn)值變化基本趨勢(shì)一致；通過(guò)BEM和CFD方法得出的結(jié)果，在尖速比為3時(shí)功率系數(shù)取得最大值，其中CFD方法所得結(jié)果為0.353 47，BEM方法所得為0.369 31；而實(shí)驗(yàn)所得最大功率系數(shù)在葉尖速比為3.11處，功率系數(shù)為0.345 5，試驗(yàn)值與計(jì)算值接近；在葉尖速比為2～4之間，試驗(yàn)值比計(jì)算值小，這是由于計(jì)算選取較為理想的環(huán)境，忽略了葉尖以及葉根損失，同時(shí)，由于測(cè)量方法的局限性，實(shí)驗(yàn)中各種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的能量損失也被計(jì)算在內(nèi)，因此造成試驗(yàn)值相比計(jì)算值偏低。但是通過(guò)對(duì)比曲線可以看出，BEM方法和CFD方法都能作為預(yù)測(cè)水力渦輪性能的理論方法。

3.2不同葉片數(shù)水力渦輪性能實(shí)驗(yàn)

將葉片數(shù)增加至6，測(cè)得其性能，并與三葉片實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及BEM方法的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比。

圖12　不同葉片數(shù)功率隨流速變化的曲線

從圖12中可以看出：BEM方法對(duì)三葉片水力渦輪不同流速工況預(yù)測(cè)的值與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，實(shí)驗(yàn)值略小于計(jì)算值，原因如上節(jié)所描述，這是實(shí)驗(yàn)中的各種損失造成的；通過(guò)對(duì)比不同葉片數(shù)的功率曲線可以看出，葉片數(shù)的增多使得水力渦輪的整體獲能性能上升，對(duì)于提高水力渦輪的性能有幫助。

4　結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

（1）采用BEM理論和三維CFD理論計(jì)算所得的水力渦輪葉片功率曲線與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致。BEM方法和CFD方法均能作為水力渦輪性能預(yù)測(cè)的理論方法。

（2）BEM方法計(jì)算所得結(jié)果相比CFD方法計(jì)算結(jié)果偏大，這是由于BEM方法忽略了葉尖損失和葉根損失的影響，但是其計(jì)算速度是CFD方法所不能比的。因此，BEM方法作為快速預(yù)測(cè)水力渦輪性能的方法是可取的。

（3）不同流速下水力渦輪性能基本保持一致，流速增大時(shí)，葉輪獲能系數(shù)有所提高，因此在合理范圍內(nèi)增大水流速度對(duì)葉片性能有所提高。

（4）水力渦輪葉片會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，葉尖區(qū)域相比葉根更容易發(fā)生空化，轉(zhuǎn)速越高，空化現(xiàn)象越嚴(yán)重。因此，可以采用降低轉(zhuǎn)速和加大葉片翼型的厚度和彎度方法，減少空化的發(fā)生。

[1]史丹,劉佳駿.我國(guó)海洋能源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與政策建議[J].中國(guó)能源,2013,35(9):6-11.

[2]Fraenkel P.Tidal Current Energy Technologies[J].Marine Current Turbines Ltd.Ibis,2006,148:145-151.

[3]Noda M,Flay R G J.A Simulation Model for Wind Turbine Blade Fatigue Loads[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1999,83(1/3):527-540.

[4]Maalawi K Y,Badawy M T S.A Direct Method for Evaluating Performance of Horizontal Axis Wind Turbines[J].Renewable& Sustainable Energy Reviews,2001,5(2):175-190.

[5]江帆，黃鵬.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.

[6]辛?xí)赠i.水平軸海流能發(fā)電機(jī)械水動(dòng)力性能的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2010.

[7]應(yīng)有,李偉,劉宏偉，等.海流能發(fā)電裝置葉片性能及氣蝕研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)—試驗(yàn)研究,2008,4:8-19.

[8]王儉超.水平軸潮流水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2011.

Numerical Simulation and Experimental Study on a Horizontal Axis Tidal Current Hydraulic Turbine

XIAO Yun-feng1,GAO Peng-yuan2,HUANG Jun-qiang1,WANG Xin1,ZOU Wen-hao1
1.Beijing Institute of Petrochemical Technology,Beijing 102617,China; 1.Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China

This paper uses the blade momentum theory to calculate the parameters of a small-scale horizontal axis hydraulic turbine for laboratory test to obtain its performance.With the NUMECA software,the three-dimensional computational fluid dynamics(CFD)method is adopted for 3-D hydrodynamic analysis on the horizontal hydraulic turbine,so as to derive the power curve.Finally,a model experiment is carried out in the experimental water tank,and the results of BEM and CFD calculation are verified,showing that both the momentum theory and CFD method can effectively predict the performance of the hydraulic turbine,and the CFD method is more accurate.In addition,the pressure distribution of the blade is obtained through the CFD method.According to the cavitation conditions,cavitation can occur on the hydraulic turbine.

BEM;CFD;hydrodynamic performance;cavitation;experiments

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0080-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.016

2016-04-18

肖云峰（1976-），男，副教授，主要從事特種葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)與研發(fā)。E-mail：xiaoyunfeng@bipt.edu.cn