李龍敬，周慎杰

（山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

新型水輪機(jī)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

李龍敬，周慎杰

（山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

文章以提高葉片姿勢可變的水輪機(jī)獲能能力為目的，結(jié)合水輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了一種新的三段式聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，借助數(shù)值模擬的方法，對不同參數(shù)的NACA翼型的增速效果進(jìn)行了研究，確定了聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式。通過改變影響聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)性能的幾個(gè)重要參數(shù)，綜合實(shí)際應(yīng)用得到了水動(dòng)力學(xué)性能較優(yōu)的聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，確定了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的安裝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

翼型；聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)；增速比

0 引 言

通常潮流能水輪機(jī)的獲能效率在25%到30%之間[1]，相對風(fēng)力發(fā)電，整體獲能效率較低，為了最大限度地獲取潮流的動(dòng)能，在潮流能獲能機(jī)構(gòu)外部增加聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是提高獲能效率的有效方法之一，同時(shí)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)還能起到支撐體的作用，將水輪機(jī)固定在工作海域內(nèi)。因此，國內(nèi)外不少學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)都在致力于聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的研究[2-3]。

陳晗[4]在對彈簧控角豎軸直葉片水輪機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究中，提出了凹形聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和凸形聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)凹形聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)水輪機(jī)的獲能效率要高于凸形聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)。孫科[5，8-9]借鑒風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器的理論，設(shè)計(jì)了一種對稱式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，提出了S型、W型等多種線型結(jié)構(gòu)，借助數(shù)值模擬的方法對不同的線型結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了分析；提出了設(shè)計(jì)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)擴(kuò)張門方案，通過研究擴(kuò)張門不僅可以提高罩內(nèi)流速，而且還有利于提高流場內(nèi)的穩(wěn)定性。劉斌[6]通過非定常渦面元法對加裝聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行理論計(jì)算，分析了水動(dòng)力機(jī)理，得出聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和安裝位置對于輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。王樹杰[7]針對柔性葉片的水輪機(jī)設(shè)計(jì)了一種中心對稱式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，通過改變影響聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)性能的幾個(gè)重要參數(shù)，對聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了水動(dòng)力學(xué)性能較優(yōu)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

加拿大的Faure和Pratte[10]提出在河道內(nèi)垂直軸水輪機(jī)上安裝聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的想法，通過聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的引流作用改變水流沖擊水輪機(jī)的角度和速度，解決低流速時(shí)水輪機(jī)獲能效率偏低的問題。他們研究了聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)入流角度、葉輪密實(shí)度、葉片與聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)之間的縫隙等因素對水輪機(jī)獲能效率的影響。

我們在對新型水輪機(jī)的前期研究中，設(shè)計(jì)了葉片姿勢可變的潮流能獲能水輪機(jī)，并對水輪機(jī)的水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，已經(jīng)取得了階段性的成果[11]。為了進(jìn)一步提高水輪機(jī)的獲能效率，根據(jù)水輪機(jī)自身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種新型的三段式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，并對不同翼型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果進(jìn)行了研究，確定了增速段的NACA翼型結(jié)構(gòu)，并針對不同的安裝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，確定了聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。

1 聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

流體在流動(dòng)過程中沿流動(dòng)方向作用于固體壁面的總力稱為曳力，而固體壁面在流動(dòng)方向?qū)α黧w的反作用力稱為流體阻力。對于繞流流動(dòng)，流體作用與固體壁面的力一般可分為正壓力和切應(yīng)力兩部分。相應(yīng)地，固體壁面的反作用力也由形狀阻力和摩擦阻力兩部分構(gòu)成。其中，形狀阻力是固體壁面上正壓力分布不均所產(chǎn)生的，又稱壓差阻力；而摩擦阻力則是固體壁面上切應(yīng)力分布不均所產(chǎn)生的。因此在導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中要盡可能減小流體阻力，從而最大限度地獲取潮流的動(dòng)能。

1.1 聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的確定

如圖1所示，根據(jù)水輪機(jī)自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證兩側(cè)來流時(shí)都有明顯的增速效果，且左側(cè)來流時(shí)，葉片從正上方打開，水輪機(jī)的主增速區(qū)域應(yīng)處于轉(zhuǎn)子正上方，根據(jù)流體力學(xué)的理論，當(dāng)流體流過曲面物體時(shí)，沿曲面方向的速度是改變的，所以考慮采用凹面的結(jié)構(gòu)會(huì)使流體沿切線方向向上運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子上方的增速效果明顯。當(dāng)從右側(cè)來流時(shí)，葉片從正下方打開，水輪機(jī)的主增速區(qū)域應(yīng)處于轉(zhuǎn)子正下方，同樣基于流體力學(xué)的理論，采用凸面結(jié)構(gòu)使流體沿著曲面的切線方向流動(dòng)，從而達(dá)到了轉(zhuǎn)子下放流速增大的目的。

圖1 聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和水輪機(jī)示意圖Fig.1 The diagrammatic sketch of diffuser and turbine

基于上述考慮，擬采用單側(cè)三段式結(jié)構(gòu)，根據(jù)每段的特點(diǎn)，分別命名為凹面增速段、過渡段和凸面增速段。

人們在以前的研究中，凹面增速段大多采用圓弧結(jié)構(gòu)。由于圓弧的變化形式單一，導(dǎo)流后對水流的增速作用不夠強(qiáng)，不便于最大限度地獲取潮流的動(dòng)能。為進(jìn)一步提高導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速能力，我們借鑒NACA翼型結(jié)構(gòu)，提出了在凹面增速段采用NACA翼型導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，并與之前的圓弧導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

由于凹面增速段與凸面增速段無法直接相連，故考慮采用圓弧的過渡結(jié)構(gòu)連接兩部分，即過渡段。

在凸面增速段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，結(jié)合流體力學(xué)知識(shí)，當(dāng)流體繞彎曲壁面流動(dòng)時(shí)，為了盡可能地減小流動(dòng)阻力，需保證過渡段與凸面增速段相切，故凸面增速段優(yōu)先考慮圓弧結(jié)構(gòu)。

NACA翼型是美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）開發(fā)的一系列翼型。每個(gè)翼型的代號(hào)由“NACA”這四個(gè)字母與一串?dāng)?shù)字組成，將這串?dāng)?shù)字所描述的幾何參數(shù)代入特定方程中即可得到翼型的精確形狀。NACA四位數(shù)字翼型是美國NACA最早建立的一個(gè)低速翼型系列，與早期的其他翼型相比，有較高的最大升力系數(shù)和較低的阻力系數(shù)。在每個(gè)翼型代號(hào)NACA XYZZ中，后面四位數(shù)字的含義是：X—相對彎度；Y—最大彎度位置；ZZ—相對厚度。例如，NACA2412表示翼型的相對彎度為2%，最大彎度位置在弦長的0.4，相對厚度為12%。主要的翼型結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 不同的翼型結(jié)構(gòu)Tab.1 Different kinds of airfoil profile

本文分別對不同相對彎度、不同的最大彎度位置和不同的相對厚度進(jìn)行研究，然后取最優(yōu)結(jié)果與圓弧型迎流面進(jìn)行比較。

1.2 主要參數(shù)

聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要分為安裝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩部分。安裝參數(shù)主要包括聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在高度方向上與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心的相對位置h和水平方向上與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心的相對位置e；結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況主要考慮凹面增速段高度H和凸面增速段圓弧半徑R。

凹面增速段高度H：由于增速段采用翼型結(jié)構(gòu)，翼型的高度與長度是成對應(yīng)關(guān)系的，翼型高度確定后，其長度也是確定的，所以對于增速段只需要考慮翼型的相對厚度即可確定增速段的結(jié)構(gòu)。

凸面增速段圓弧半徑R：對于凸面增速段結(jié)構(gòu)，首先從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度凸面增速段的圓弧要與過渡段的圓弧滿足相切的關(guān)系，所以凸面增速段的圓心相對位置是確定的，由于增速段高度已經(jīng)確定，所以凸面增速段結(jié)構(gòu)的高度也確定，通過改變不同的圓弧半徑，即可得到不同的凸面增速段的長度，可通過研究不同的圓弧半徑下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果來確定凸面增速段圓弧半徑。

2 水動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬

從優(yōu)化導(dǎo)流結(jié)構(gòu)來說，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并不會(huì)對增速效果有很大的影響，反而是水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的網(wǎng)格處理與計(jì)算量加大了模擬的復(fù)雜程度與難度，所以在模擬過程中考慮放置一靜止?fàn)顟B(tài)的水輪機(jī)對不同形式的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果進(jìn)行對比，選出最優(yōu)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)值模擬方法

基于Fluent軟件穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，進(jìn)行聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在敞水狀態(tài)下的水動(dòng)力性能模擬。如圖2所示。計(jì)算區(qū)域：流場計(jì)算域以轉(zhuǎn)子中心為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子直徑2R為100mm，設(shè)置前方區(qū)域10倍于轉(zhuǎn)子直徑，后方10倍于轉(zhuǎn)子直徑，上取6倍于轉(zhuǎn)子直徑的矩形形區(qū)域，下到聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的下側(cè)邊緣。

網(wǎng)格劃分：整個(gè)流場區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在靠近聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的壁面區(qū)域增加網(wǎng)格密度，而在聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)外圍則適當(dāng)放寬網(wǎng)格尺寸，以減小數(shù)值模擬的運(yùn)算量。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為20 989。

邊界條件：定義為左側(cè)為流場入口，入口速度為1 m/s，邊界類型為速度入口（velocity-inlet）；右側(cè)為流場出口，邊界類型為壓力出口（pressure-outlet）；流場上下邊界、聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的壁面均采用無滑移壁面（wall）。

針對聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)流線型較好的特點(diǎn)，數(shù)值仿真中選用k-ω湍流模型；時(shí)間步長為0.01s，迭代步數(shù)為1 500。

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在模擬過程中，網(wǎng)格的疏密程度會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。分別對導(dǎo)流罩內(nèi)流場進(jìn)行不同疏密程度的網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格數(shù)分別為10 388、20 989、30 660和43 311。

結(jié)果如表2所示，將網(wǎng)格數(shù)為1萬與2萬的相比其改變量大于3%，而2萬與3萬和4萬相比，改變量均小于3%。考慮到網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算時(shí)間越長，為了提高計(jì)算效率，采用了2萬網(wǎng)格的加密方式對流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 模擬流場模型Fig.2 Fluid domain model

表2 不同單元尺寸下的增速比Tab.2 Speed increasing ratio under different element size

2.3 模擬有效性的驗(yàn)證

利用數(shù)值模擬的計(jì)算方法對流體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化是目前國內(nèi)外流體力學(xué)領(lǐng)域普遍采取的一種基本方法，計(jì)算結(jié)果也大都在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中得到了有效的驗(yàn)證。在前面引言中已經(jīng)提到的陳晗、孫科、王樹杰等均采用數(shù)值模擬的方法對不同類型的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。本文也采用相類似的數(shù)值模擬方法，對新提出的三段式聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

孫科[5]在論文中結(jié)合對水輪機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對幾種導(dǎo)流結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果已得到業(yè)內(nèi)專家的廣泛認(rèn)可。采用與本文數(shù)值研究相同的模擬方法，對孫科提出的有關(guān)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的3種模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與孫科論文中的原模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，本次模擬結(jié)果與孫科論文中的模擬結(jié)果相吻合，誤差率均在3%以內(nèi)。由此可見，本文所采用的模擬方法是有效的。詳見表3。

表3 導(dǎo)流罩模型內(nèi)的最大流速（m/s）Tab.3 The maximum velocity of dome models(m/s)

3 數(shù)值結(jié)果分析

考慮通過引入增速比來評定聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果。

由于水流從兩側(cè)來流時(shí)主要的增速區(qū)域有一定的區(qū)別，所以以轉(zhuǎn)子中心為原點(diǎn)，左側(cè)來流時(shí)，取轉(zhuǎn)子上方55 mm到95 mm的范圍得到該區(qū)間的瞬時(shí)速度，然后對速度取平均值，計(jì)算出轉(zhuǎn)子上方的瞬時(shí)平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機(jī)上方的增速比。取轉(zhuǎn)子下方55 mm到75 mm的范圍得到該區(qū)間的瞬時(shí)速度，然后對速度取平均值，計(jì)算出轉(zhuǎn)子下方的瞬時(shí)平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機(jī)下方的增速比。右側(cè)來流時(shí)，取轉(zhuǎn)子上方55 mm到75 mm的范圍得到該區(qū)間的瞬時(shí)速度，然后對速度取平均值，計(jì)算出轉(zhuǎn)子上方的瞬時(shí)平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機(jī)上方的增速比。取轉(zhuǎn)子下方55 mm到95 mm的范圍得到該區(qū)間的瞬時(shí)速度，然后對速度取平均值，計(jì)算出轉(zhuǎn)子下方的瞬時(shí)平均流速，然后再除以來流速度，得到水輪機(jī)下方的增速比。

本文通過對不同翼型的聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果分析確定最優(yōu)的翼型結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上再對聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定最優(yōu)的安裝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 凹面增速段結(jié)構(gòu)的確定

3.1.1 不同參數(shù)NACA翼型結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果

在模擬中固定增速段高度為2.2R，圖3和圖4是聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在不同相對彎度（NACA2215、NACA4215、NACA5215和NACA6215）下的增速效果。隨著相對彎度的增大，充分利用翼型曲面對流場的干擾，改變了流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，起到了更優(yōu)的引流作用，使得轉(zhuǎn)子正上方的流速進(jìn)一步增大，當(dāng)增加到一定程度后，彎度過大會(huì)導(dǎo)致聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的迎流面對流體的運(yùn)動(dòng)形成阻礙作用，所以聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速比呈現(xiàn)先大后小的過程，故NACA4215的翼型結(jié)構(gòu)增速效果更佳。根據(jù)翼型的代號(hào)規(guī)則確定翼型相對彎度為4。

圖3 不同相對彎度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比Fig.3 Speed increasing ratio above diffuser under different relative curvature in case of incoming flow on the left

圖4不同相對彎度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方增速比Fig.4 Speed increasing ratio below diffuser under different relative curvature in case of incoming flow on the left

圖5 和圖6是不同相對厚度（NACA4206、NACA4212、NACA4215和NACA4221）下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果，從圖中可以看出，隨著相對厚度的增加，針對固定高度的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于增速段的長度由長變短，當(dāng)長度過長時(shí)，阻力形式主要為摩擦阻力，但過于平緩增速效果不佳，隨著長度變短，阻力形式以壓差阻力為主，對流體的阻礙作用慢慢增大，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果呈現(xiàn)了迅速增加到快速下降然后趨于平緩的過程，對比可以看出NACA4212翼型結(jié)構(gòu)的增速效果更佳。根據(jù)翼型的代號(hào)規(guī)則確定翼型相對厚度為12。

圖5 不同翼型厚度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比Fig.5 Speed increasing ratio above diffuser under different airfoilthickness in case ofincoming flow on the left

圖6 不同翼型厚度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方增速比Fig.6 Speed increasing ratio below diffuser under differentairfoilthickness in case ofincoming flow on the left

圖7 不同最大彎度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比Fig.7 Speed increasing ratio above diffuser under different circle radius in case of incoming flow on the left

圖8不同最大彎度下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方增速比Fig.8 Speed increasing ratio below diffuser under different circle radius in case of incoming flow on the left

圖7 和圖8是不同最大彎度（NACA4212、NACA4312、NACA4412和NACA4512）下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果。從圖中可以看出隨著最大彎度的變大，相當(dāng)于改變了翼型曲面的彎曲程度，會(huì)改變曲面對流場的干擾作用，引起轉(zhuǎn)子上方流速的變化，增速比呈現(xiàn)先下降后逐漸增大的趨勢，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方的增速比呈現(xiàn)先增大后逐漸下降的趨勢，在這個(gè)變化過程中聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的主作用增速區(qū)域發(fā)生了變換，綜合聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上下的增速比考慮采用NACA4212的翼型結(jié)構(gòu)。根據(jù)翼型的代號(hào)規(guī)則確定翼型最大彎度位置為2。

3.1.2 圓弧結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果

給定相同的凹面增速段高度與長度參數(shù)，對采用不同圓弧半徑的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)圖9和圖10，可以得到在半徑為300時(shí)，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)有更佳的增速效果，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比為1.531，下方增速比1.518。

圖9 不同圓弧半徑下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比Fig.9 Speed increasing ratio above diffuser under different airfoil thickness in case of incoming flow on the left

圖10 不同圓弧半徑下左側(cè)來流時(shí)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方增速比Fig.10 Speed increasing ratio below diffuser under different airfoil thickness in case of incoming flow on the left

3.1.3 翼型凹面增速段與圓弧型凹面增速段的增速分析

由表4可以看出，NACA4212翼型結(jié)構(gòu)的增速效果優(yōu)于圓弧結(jié)構(gòu)，故增速段結(jié)構(gòu)應(yīng)采用NACA4212的翼型結(jié)構(gòu)。

表4 不同線型的增速比Tab.4 Speed increasing ratio under different linetypes

3.2 安裝參數(shù)—長度方向上不同的安裝距離e

安裝參數(shù)主要考慮聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在高度方向上和長度方向上與水輪機(jī)的相對位置?？紤]讓聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁與水輪機(jī)葉片完全張開時(shí)的軌跡相切，故聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在高度方向上與水輪機(jī)的相對位置可以直接確定，在水平方向上的距離e要通過模擬得到。圖11為聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)安裝位置參數(shù)示意圖。

取R=50，結(jié)合實(shí)際考慮取安裝距離分別為0.6R、0.8R、1R、1.2R、1.4R、1.6R和1.8R七種工況，采用控制變量法進(jìn)行研究。數(shù)值模擬結(jié)果如圖12-15所示。隨著聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在長度方向上的安裝距離e從大到小不斷變化，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上下方的平均增速比呈現(xiàn)先增大后減小的過程。當(dāng)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位置距離水輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心位置一個(gè)R的距離時(shí)，平均增速比達(dá)到最大值。隨著安裝位置的移動(dòng)，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下放的增速比變化趨勢更為明顯，當(dāng)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)逐漸靠近水輪機(jī)轉(zhuǎn)子后，轉(zhuǎn)子上下均有較好的增速效果。

圖11 聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的安裝位置參數(shù)Fig.11 The installation parameters ofdiffuser

圖12 不同安裝位置e下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方的增速比Fig.12 Speed increasing ratio under different installation sites

圖15 安裝位置為1.8R時(shí)的速度矢量圖Fig.15 The velocity vector when installed at location of 1.8R

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖16所示，根據(jù)翼型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的原則，主要參數(shù)包括凹面增速段高度H和凸面增速段圓弧半徑r。

3.3.1 不同高度H下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果分析

考慮研究不同高度下的NACA4212的結(jié)構(gòu)，探究增速段高度對導(dǎo)流增速效果的影響。取2.2R、2.6R、3R和3.4R四種情況進(jìn)行分析。模擬結(jié)果如圖17和圖18所示。隨著聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)高度的增加，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對流場的干擾作用發(fā)生了改變，對水流的阻礙作用由摩擦阻力變成壓差阻力，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比會(huì)逐漸增大然后慢慢減小并趨于平緩；而聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下放增速比一直處于逐漸增大的過程，轉(zhuǎn)子下方流速明顯增大，但轉(zhuǎn)子上方的流速相對減小，這是聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的增大與轉(zhuǎn)子相對大小綜合作用的結(jié)果。綜合考慮增速效果與成本，考慮選用高為2.6R的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

3.3.2 不同半徑r聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速效果分析

考慮水流從右側(cè)流過時(shí)，研究圓弧半徑對聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)增速效果的影響。分別取4.5R、5R、5.5R、6R、8R和10R六種不同的圓弧半徑，模擬結(jié)果如圖21所示，隨著半徑的不斷增大，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)本身對于水流的阻礙作用會(huì)相對減小，增速比會(huì)逐漸增大，但是當(dāng)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)凸面增速段圓弧半徑增大到6R后，隨著半徑的再度增大，增速效果會(huì)逐漸減小然后趨于平緩，這是因?yàn)殡S著半徑的進(jìn)一步增大，聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的凸面增速段越接近于直線結(jié)構(gòu)，圓弧對流場幾乎起不到干擾作用，增速效果也逐漸趨近于直線結(jié)構(gòu)。

圖16 聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.16 The structure parameters of diffuser

圖17 不同高度H下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方的增速比Fig.17 Speed increasing ratio above diffuser under different H

圖18 不同高度H下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方的增速比Fig.18 Speed increasing ratio below diffuser under different H

圖19 高度為2.6R時(shí)速度矢量圖Fig.19 Velocity vector atthe heightof2.6R

圖20 高度為3.4R時(shí)速度矢量圖Fig.20 Velocity vector at the heightof3.4R

4 結(jié) 論

本文根據(jù)新型水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，以新型水輪機(jī)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)為研究對象，提出了新型三段式聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬的方法確定了增速段NACA翼型結(jié)構(gòu)選型，對影響聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，得出以下結(jié)論：

（1）本文首次對NACA翼型結(jié)構(gòu)的增速效果進(jìn)行了研究，通過對不同參數(shù)的翼型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，確定選用NACA4212的翼型作為凹面增速段結(jié)構(gòu)。根據(jù)模擬結(jié)果，NACA4212的翼型結(jié)構(gòu)聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)上方增速比為1.591，下方增速比為1.581，比同樣條件下采用圓弧型聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的增速比分別提高了3.92%和4.15%。

（2）在增速段選用翼型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)翼型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，增速段的高度與長度成比例關(guān)系，故選取不同的增速段高度作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的凹面增速段的高度為2.6R；考慮到水流從右側(cè)來流的增速效果，針對右側(cè)凸面增速段圓弧確定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取了圓弧半徑作為優(yōu)化參數(shù)，最終確定凸面增速段的圓弧半徑為6R。

（3）根據(jù)水輪機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，考慮讓聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁與水輪機(jī)葉片完全張開時(shí)的軌跡盡量相切，故聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)在高度方向上與水輪機(jī)的相對位置可以直接確定，因此選取了豎直方向上的距離e作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)凹面增速段與過渡段連接處與葉片姿勢可變水輪機(jī)轉(zhuǎn)子之間水平方向的距離為R。

圖21 右側(cè)來流時(shí)不同半徑下聚能導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下方的增速比Fig.21 Speed increasing ratio below diffuser under different radius in case of incoming flow on the right

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Design and parameter optimization of novel energy-gathered and diversion mechanism

LI Long-jing,ZHOU Shen-jie
(Shandong University School of Mechanical Engineering,Jinan 250061,China)

In order to improve the efficiency of the Blade Position-Variable Hydraulic Turbine,a threepiece energy-gathered and diversion mechanism is proposed,combined with motion law of hydraulic turbine. By means of the numerical simulation method,the accelerating effect of different parameters of NACA airfoilis studied,then the specific structure of energy-gathered and diversion mechanism is determined.A kind of energy-gathered and diversion mechanism with excellent hydraulic performance is obtained through changing severalimportantparameters.

airfoil;energy-gathered and diversion mechanism;speed increasing ratio

TB126 TK79

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.005

1007-7294（2017）07-0832-10

2017-03-08

山東省科技開發(fā)項(xiàng)目（2014GGX103028）

李龍敬（1988-），男，博士研究生，E-mail：kglilongjing@163.com；

周慎杰（1958-），男，教授。