盛傳明，練繼建，林大明，徐 寶，黃宣旭

(1. 天津大學(xué) 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700; 2. 江蘇道達(dá)海上風(fēng)電工程科技有限公司， 江蘇 南通 226000)

海底邊界效應(yīng)對(duì)海流發(fā)電水輪機(jī)水動(dòng)力性能影響研究

盛傳明1，練繼建1，林大明1，徐 寶1，黃宣旭2

(1. 天津大學(xué) 前沿技術(shù)研究院有限公司，天津 301700; 2. 江蘇道達(dá)海上風(fēng)電工程科技有限公司， 江蘇 南通 226000)

對(duì)30 W海流能水平軸水輪機(jī)進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了邊界效應(yīng)對(duì)葉片表面壓力、流場(chǎng)、湍流強(qiáng)度、獲能和軸向力的影響。受海底邊界效應(yīng)影響，海流速度沿深度呈現(xiàn)梯度變化，底層流速較小，中上層流速較大。邊界效應(yīng)導(dǎo)致水輪機(jī)的水動(dòng)力性能呈現(xiàn)周期性變化，降低了水輪機(jī)的獲能和軸向力。機(jī)組布置時(shí)，宜選擇水流穩(wěn)定且流速較大的中上層區(qū)域。

水平軸水輪機(jī)；水動(dòng)力性能；邊界效應(yīng)；海流能

Abstract: The blade of a 30W horizontal axis marine current turbine was designed. Numerical simulation of hydrodynamic performance of marine current turbine was made by using computational fluid dynamic software FLUENT. The influence of boundary effect to surface pressure distribution of blade, velocity distribution of flow field, turbulent kinetic energy, power and axial force were analyzed. Velocity gradient along the water depth is caused by boundary effect of bed. The closer to bottom, the smaller flow velocity. Boundary effect leads to periodic change of hydrodynamic performance, and power and axial force is reduced then. Marine current turbine should be installed in the upper level of seawater which has a stable and larger velocity.

Keywords: horizontal axis turbine; hydrodynamic performance; boundary effect; power

尋求和發(fā)展可再生清潔能源是當(dāng)前不可逆轉(zhuǎn)的新趨勢(shì)，世界各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)新型可再生能源[1]。海洋海流能由于儲(chǔ)量豐富、載荷穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，是近年來(lái)發(fā)展較快的海洋能能種之一[2]。海流發(fā)電水輪機(jī)是一種利用海流能來(lái)獲取能量的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，通過(guò)葉片的升力效應(yīng)推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將海流能轉(zhuǎn)化為電能，提供清潔能源。

近年來(lái)，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，眾多科研機(jī)構(gòu)應(yīng)用CFD方法對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了深入研究。英國(guó)Southampton大學(xué)應(yīng)用CFD和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)水輪機(jī)的性能進(jìn)行了總結(jié)研究[3]；英國(guó)Exeter大學(xué)對(duì)水輪機(jī)建立解析模型和CFD模型，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究[4]；國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)[5]、中國(guó)海洋大學(xué)[6]和浙江海洋學(xué)院[7]等研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用CFD方法對(duì)垂直軸、水平軸水輪機(jī)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。

受海底邊界效應(yīng)的影響，海流速度沿水深呈現(xiàn)梯度變化，距離海底越近，流速越小[8]。英國(guó)Southampton大學(xué)使用理論方法，對(duì)受邊界效應(yīng)影響下水輪機(jī)獲能進(jìn)行預(yù)測(cè)[9]。水輪機(jī)運(yùn)行在梯度流中，其水動(dòng)力性能將產(chǎn)生一系列變化，目前對(duì)此方面的研究較少。本文以30W海流發(fā)電水輪機(jī)為例，應(yīng)用CFD方法研究邊界效應(yīng)對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力特性的影響。

1 水輪機(jī)設(shè)計(jì)

1.1葉片設(shè)計(jì)主要參數(shù)

水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)的主要參數(shù)為：水輪機(jī)額定功率P=30W，設(shè)計(jì)流速V=1.11 m/s，設(shè)計(jì)獲能系數(shù)CP=0.35。

1.2翼型和尖速比

翼型的選擇對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能具有至關(guān)重要的作用，英國(guó)University of Southampton對(duì)海流發(fā)電水輪機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn)研究，試驗(yàn)水槽長(zhǎng)和寬分別為2 m和0.5 m，水深0.5 m，水流流速4 m/s，試驗(yàn)結(jié)果表明NACA63-8XX系列翼型的獲能系數(shù)較高[10]。本文試驗(yàn)水槽長(zhǎng)10 m，寬1 m，水深1.2 m，水流流速可達(dá)3 m/s，水槽結(jié)構(gòu)相似，采用NACA63-8XX系列翼型。

本文葉片數(shù)目為3，根據(jù)水輪機(jī)葉片數(shù)與尖速比的匹配關(guān)系[11]，確定設(shè)計(jì)尖速比為3。

1.3葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用簡(jiǎn)化風(fēng)車(chē)?yán)碚?，參考文獻(xiàn)[12]的設(shè)計(jì)思路，確定葉片各截面的弦長(zhǎng)和安裝角如表1所示。

表1 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 1 Blade structure parameters

1.4水輪機(jī)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)流速與額定功率，確定水輪機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 水輪機(jī)參數(shù)Tab. 2 Turbine specifications

1.5三維模型圖

應(yīng)用Solidworks軟件建立葉片模型和水輪機(jī)模型，如圖1所示。

圖1 葉片模型和水輪機(jī)模型Fig. 1 Blade model and turbine model

2 水輪機(jī)數(shù)值模型建立

2.1控制方程

假設(shè)流體是不可壓的，流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：ui、uj為速度分量(m/s)，xi、xj為位置坐標(biāo)分量，P為流體壓力(Pa)，μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

采用SSTk-ω湍流模型[13]。該模型是由Menter發(fā)展而來(lái)，相較于其它湍流模型具有較多優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[13]給出了SSTk-ω湍流模型中湍流動(dòng)能k和比耗散率ω的輸運(yùn)方程及各參數(shù)的值。

2.2模型建立和網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Gambit軟件建立水輪機(jī)網(wǎng)格模型，將計(jì)算域分為流體域和旋轉(zhuǎn)域，應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將旋轉(zhuǎn)域的外表面設(shè)置為滑移網(wǎng)格交界面。為了保證計(jì)算精度且提高運(yùn)算效率，本文采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為1 031 623，計(jì)算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格Fig. 2 Mesh of computational domain

2.3設(shè)置求解器和邊界條件

采用分離式求解器隱式算法，動(dòng)量、湍流動(dòng)能均采用二階迎風(fēng)格式離散，壓力-速度耦合使用SIMPLE算法，對(duì)水輪機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩和軸向力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。入口邊界條件設(shè)置為速度入口(velocity inlet)，出口邊界條件設(shè)置為自由流出口，滑移邊界設(shè)置為接觸面，上表面設(shè)置為自由表面，其余邊界設(shè)置為固壁。

3 速度梯度

3.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3 水輪機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 3 Turbine model in experiment

在循環(huán)水槽中進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備包括水輪機(jī)模型、DASP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、Vectrino流速儀、發(fā)電機(jī)、可變電阻、循環(huán)水泵等，發(fā)電機(jī)功率50W，額定轉(zhuǎn)速267 r/min，負(fù)載大小可調(diào)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

3.2數(shù)值模擬

數(shù)值模擬水槽長(zhǎng)5 m，寬1 m，水深1.2 m，編寫(xiě)用戶(hù)自定義函數(shù)UDF，對(duì)不同水深水流速度進(jìn)行定義(包括上表面)，將其作為入口速度，模擬流速1 m/s時(shí)入口截面速度分布，如圖4所示。

3.3水輪機(jī)位置

水輪機(jī)3枚葉片具有對(duì)稱(chēng)性，將水輪機(jī)布置在水深0.3 m位置，不同時(shí)刻水輪機(jī)位置如圖5所示。

圖4 入口截面速度分布Fig. 4 Vectrino current meter

圖5 不同時(shí)刻葉片位置Fig. 5 Blade position at different time

3.4流速驗(yàn)證

調(diào)節(jié)循環(huán)水泵得到水流流速，將流速儀置于水輪機(jī)前方2 m位置，改變流速儀入水深度測(cè)量此水流流速下縱向水深流速；將流速儀置于水輪機(jī)后方不同位置測(cè)量尾流流速，入水深度0.3 m。調(diào)節(jié)循環(huán)水泵得到不同水流流速，重復(fù)進(jìn)行流速測(cè)量，對(duì)比縱向水深流速和尾流流速，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，入口流速相同時(shí)，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)測(cè)得的水流流速變化趨勢(shì)一致，水輪機(jī)前方突降，水輪機(jī)之后隨著距離增大而增大；數(shù)值方面，試驗(yàn)值和模擬值相差不大，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可行性。

圖6 流速對(duì)比Fig. 6 Comparison of flow velocity

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1葉片表面壓力分布

當(dāng)水流流速1 m/s時(shí)，對(duì)比不同時(shí)刻葉片表面壓力分布，如圖7所示。

由圖7可知，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同時(shí)刻葉片表面壓力發(fā)生變化，最大壓力出現(xiàn)在T時(shí)刻，位于葉片前緣，最大壓強(qiáng)值為3 405 Pa，最大負(fù)壓強(qiáng)為-4 336 Pa。葉片表面壓力周期性的變化會(huì)縮短葉片的使用壽命。

圖7 葉片表面壓力分布Fig. 7 Surface pressure distributions of blade

4.2葉輪中心截面速度分布

當(dāng)水流流速為1m/s時(shí)，對(duì)比不同時(shí)刻葉輪中心截面速度分布，如圖8所示。

圖8 葉輪中心截面速度分布Fig. 8 Velocity distributions of impeller center section

由圖8可知，在梯度流環(huán)境下，葉輪中心截面速度出現(xiàn)周期性變化，最大速度出現(xiàn)在T/2時(shí)刻，位于輪轂左下方葉片掃掠面的前方，最大速度值為2.36 m/s，葉輪中心截面速度周期性變化會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)輸出功率不穩(wěn)定，影響水輪機(jī)的獲能。

4.3湍流強(qiáng)度

當(dāng)水流流速1 m/s時(shí)，對(duì)比不同時(shí)刻葉輪縱剖面湍流強(qiáng)度分布，如圖9所示。

圖9 縱剖面湍流動(dòng)能分布Fig. 9 Turbulent kinetic energy distributions of longitudinal section

由圖9可知，在梯度流環(huán)境下，葉輪縱剖面湍流強(qiáng)度不恒定，最大湍流強(qiáng)度出現(xiàn)在T/2時(shí)刻，湍流強(qiáng)度周期性變化會(huì)導(dǎo)致下游水流流態(tài)不穩(wěn)定，對(duì)下游機(jī)組獲能帶來(lái)不利影響。

4.4水輪機(jī)葉片獲能特性

4.4.1 水輪機(jī)獲能

當(dāng)水流流速為1 m/s時(shí)，將水輪機(jī)置于水深0.3 m位置，研究邊界效應(yīng)對(duì)水輪機(jī)獲能的影響，如圖10所示。

由圖10可知，邊界效應(yīng)對(duì)水輪機(jī)獲能影響較大，考慮邊界效應(yīng)時(shí)，水輪機(jī)獲能功率不恒定，獲能數(shù)值低于不考慮邊界效應(yīng)時(shí)獲能，此計(jì)算工況損失的能量約為總獲能的15%。

4.4.2 尖速比影響

當(dāng)水流流速為1 m/s時(shí)，改變不同尖速比，研究水輪機(jī)獲能系數(shù)，如圖11所示。

圖10 水輪機(jī)獲能曲線Fig. 10 Power curve of turbine

圖11 水輪機(jī)獲能系數(shù)對(duì)比Fig. 11 Comparison of power coefficient

由圖11可知，隨著尖速比增大，獲能系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最佳尖速比為3.5，邊界效應(yīng)沒(méi)有改變獲能系數(shù)的變化趨勢(shì)，只是降低了獲能系數(shù)值。

4.4.3 深度影響

當(dāng)水流流速為1 m/s時(shí)，將機(jī)組布置在不同水深位置，研究水深與獲能系數(shù)的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12可知，中上層水域流速較大且相對(duì)穩(wěn)定，此處水輪機(jī)獲能系數(shù)較高，當(dāng)水輪機(jī)置于水深0.3 m位置時(shí)，最大獲能系數(shù)為35.2%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；下層水域流速小且變化幅度大，此處水輪機(jī)獲能系數(shù)較低。水輪機(jī)組宜布置在流速較大且流態(tài)穩(wěn)定的中上層水域。

4.5水輪機(jī)軸向力

水輪機(jī)軸向力與機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系，軸向力越大，越需要支撐結(jié)構(gòu)提供更大的支持力來(lái)固定水輪機(jī)。當(dāng)水流流速為1 m/s、葉尖速比為3.5時(shí)，不同時(shí)刻水輪機(jī)軸向力曲線如圖13所示。

圖12 獲能系數(shù)對(duì)比Fig. 12 Comparison of power

圖13 水輪機(jī)軸向力曲線 Fig. 13 Axial force curve of turbine

由圖13可知，考慮邊界效應(yīng)時(shí)，軸向力呈現(xiàn)周期性變化，邊界效應(yīng)降低了水輪機(jī)的軸向力，此計(jì)算工況軸向受力降低了10%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用CFD方法，研究了邊界效應(yīng)對(duì)海流發(fā)電水輪機(jī)水動(dòng)力性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)水流速度沿水深呈現(xiàn)梯度變化，中上層較大，底部較小。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片表面壓力、中心截面速度、湍流動(dòng)能都呈現(xiàn)周期性變化。

2)邊界效應(yīng)使水輪機(jī)獲能和軸向力呈現(xiàn)周期性變化，機(jī)組獲能系數(shù)和獲能功率有所降低。

3)為了使水輪機(jī)獲得較大、平穩(wěn)的輸出功率，應(yīng)合理布置水輪機(jī)的位置，盡量避開(kāi)海底水流不穩(wěn)定的低速區(qū)，選擇水流穩(wěn)定且流速較大的中上層區(qū)域。

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Influence of boundary effect to hydrodynamic performance of marine current turbine

SHENG Chuanming1, LIAN Jijian1, LIN Daming1, XU Bao1, HUANG Xunaxu2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, The Frontier Technology Research Institute Limited Company of Tianjin University，Tianjin 301700,China; 2. The Offshore Wind Power Engineering Technology Limited Company of Jiangsu Daoda, Nantong 226000, China)

1005-9865(2017)02-0075-08

TK730.2, P743.1

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.011

2016-06-23

江蘇省科技支撐計(jì)劃-工業(yè)部分資助項(xiàng)目(BE2014091)；與防波堤結(jié)合的新型波浪能發(fā)電及利用關(guān)鍵技術(shù)資助項(xiàng)目

盛傳明(1987-)，男，山東濰坊人，工程師，主要從事海洋可再生能源研究。E-mail: 1094897747@qq.com