王樹杰， 姜雪英， 袁 鵬， 司先才 ， 于曉麗

(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島市海洋可再生能源重點實驗室，山東 青島 266100)

潮流能作為一種清潔可再生能源備受關(guān)注，且我國潮流能儲量豐富，而水平軸潮流能水輪機是目前應(yīng)用最廣的潮流能轉(zhuǎn)換機構(gòu)形式[1-2]。潮流能水輪機性能是影響能量轉(zhuǎn)換的重要因素，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)與高校致力于水平軸潮流能水輪機性能研究，但更多偏重理想工況下的性能的研究，而實海況條件下水輪機實際功率與額定功率相差較大。水輪機處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，其性能會受到各方面因素的影響，包括海底地形、來流梯度、來流偏角、波浪等。其中，來流偏角是由于海洋渦旋、潮汐變化、波浪等多種因素造成，使來流方向與水輪機轉(zhuǎn)軸方向不一致，根據(jù)風(fēng)力機研究將其定義為偏航角，且對水輪機性能影響很大，針對這一問題，英國南安普頓大學(xué)、韓國船舶與海洋工程研究所以及愛爾蘭鄧多克理工學(xué)院對其進行了研究。根據(jù)愛爾蘭鄧多克理工學(xué)院Fergal O’Rourke等科研人員研究，隨著偏航角增大輸出功率明顯降低，尤其當(dāng)大于15°偏航角時，輸出功率大幅度下降，偏航角為45°時相比于0°功率下降接近50%[3-4]。根據(jù)南安普頓大學(xué)的Pascal W. Galloway等的研究，在偏航角為22.5°相比于偏航角0°時功率下降20%[5-6]。同時，偏航角的存在對水輪機尾流將會造成不同程度的影響，尾流的變化將會影響發(fā)電場其他水輪機的獲能。綜上，本文運用ANSYS Fluent對偏航角0°、10°、20°工況下水平軸潮流能水輪機性能進行仿真分析同時進行試驗驗證，并分析不同偏航角下水輪機的尾流特性。

1 計算模型

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

水平軸潮流能水輪機葉片翼型類型及水輪機尺寸參數(shù)(見表1)。

表1 葉片翼型及水輪機尺寸參數(shù)

通過Profili翼型軟件導(dǎo)出NACA4415的翼型點集，設(shè)計得到翼型弦長與扭角參數(shù)，最后根據(jù)MATLAB生成的葉片翼型數(shù)據(jù)以及水輪機各項尺寸參數(shù)在三維繪圖軟件Solidworks中完成水輪機的三維建模，水輪機三維圖(見圖1)。

圖1 水輪機三維圖及實物圖

鑒于Gambit在網(wǎng)格劃分中的質(zhì)量好、速度快等優(yōu)點，本文選擇Gambit對偏航工況下的水輪機進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果及試驗偏航設(shè)置(見圖2)。網(wǎng)格劃分過程中，水輪機、旋轉(zhuǎn)域及流體域分區(qū)進行劃分，各部分網(wǎng)格類型、最小網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格數(shù)(見表2)。

圖2 網(wǎng)格劃分與試驗中偏航設(shè)置

區(qū)域Domain網(wǎng)格類型Type網(wǎng)格精度Resolution/mm網(wǎng)格數(shù)Number水輪機Turbine三角形網(wǎng)格278 727旋轉(zhuǎn)域Rotation domain四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格8764 137流體域Fluid domain四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格301 232 566

1.2 邊界條件設(shè)定與模型選

假設(shè)研究中的流體為不可壓的流體，密度為1 098 kg/m3，已知來流速度分量，參考文獻[7]進行邊界條件的設(shè)定(見表3)。

表3 邊界條件設(shè)定

在邊界條件設(shè)定過程中，旋轉(zhuǎn)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，流體域為靜止區(qū)域、旋轉(zhuǎn)域與流體域之間存在3個相互重合的面，這3對相互重合的面需要同時設(shè)置成interface形式，計算之前在Fluent中兩兩合成。根據(jù)現(xiàn)有試驗條件限制，為精確進行數(shù)值模擬，假設(shè)轉(zhuǎn)子直徑為D，將計算域的尺寸確定為10D(6 000 mm)×1 000 mm×800 mm，將水輪機置于400 mm深度，并設(shè)定水輪機中心距入口處為3D，距離出口處為7D，邊界條件設(shè)定(見圖3)。同時在偏航工況下，每個葉片在每個方位角的受力不同，每個葉片需要進行單獨的邊界設(shè)定，三葉片邊界設(shè)定(見圖4)。

圖3 邊界條件設(shè)定

圖4 三葉片邊界設(shè)定

目前，對于旋轉(zhuǎn)區(qū)域的數(shù)值模擬主要有兩種方法：多參考系方法(Multiple Reference Frame，MRF)和滑移網(wǎng)格方法(Sliding Mesh，SM)。滑移網(wǎng)格方法是通過旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的相對滑動，在每個時間步長內(nèi)不斷產(chǎn)生新的網(wǎng)格，從而給出隨時間變化的數(shù)值解，但相對于多參考系方法需要的計算資源比較大，對計算機內(nèi)存、CPU (Central Processing Unit) 速度都有較高的要求。鑒于MRF和SM存在各自優(yōu)缺點，本文利用多參考系模型在ANSYS Fluent中對水平軸潮流能水輪機進行仿真，待其收斂后，將其作為初始場再采用滑移網(wǎng)格方法進行非定常的數(shù)值模擬。對于不同類型的流動模擬存在多種湍流模型，根據(jù)以往的研究SST k-ω湍流模型殘差曲線穩(wěn)定且模擬值與實驗值吻合良好，因此選取SST k-ω湍流模型進行湍流流動模擬。

2 試驗驗證與結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)置與試驗驗證

模型水槽試驗在中國海洋大學(xué)(嶗山校區(qū))海洋工程波浪流模擬實驗室中完成，采用的試驗水槽見圖5，該水槽基本參數(shù)見表4，能夠?qū)α魉龠M行調(diào)整與控制，能夠滿足試驗要求。

圖5 試驗水槽

參數(shù)Parameter大小Size參數(shù)Parameter大小Size高度Height1.5 m有效長度Effective length25 m寬度Width1 m 最大水深Maximum depth1.0 m 長度Length30 m最大流速Maximum flow velocity0.6 m·s-1

此次試驗的試驗?zāi)康臑椋涸谒魉俣葹?.5 m/s條件下，槳距角10°，偏航工況(偏航角為γ=0°、10°、20°)下，水輪機獲能與受力分析，偏航工況(見表5)。根據(jù)表1葉片及水輪機尺寸參數(shù)，通過3D打印機打印葉片，鑒于強度考慮，輪轂及輪轂與葉片的連接件為車削加工得到，水輪機實物圖見圖1。采用搖動升降式水輪機支撐與吊裝裝置，使整個過程省時省力，能夠有效提高工作效率，且裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水輪機0°、10°及20°偏航角調(diào)整。在水輪機前方5D位置處放置一臺ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) 測量水流速度，保證水流速度為0.5 m/s，并通過內(nèi)置傳感器同步測量扭矩、轉(zhuǎn)速和軸向力。

表5 偏航工況

為驗證CFD (Computational Fluid Dynamics) 仿真對水輪機性能預(yù)測的精度及可靠性，將偏航角10°與20°下水輪機性能試驗值與CFD仿真值進行比對，定義功率系數(shù)Cp為水輪機的發(fā)電功率與葉片掃掠面積水流功率之比，以偏航角10°時與偏航角20°時功率系數(shù)為例進行分析(見圖6)。

圖6 水輪機部分性能參數(shù)

在試驗過程中，由于發(fā)電機功率相對較小造成電子負(fù)載可調(diào)節(jié)范圍相對較小，試驗數(shù)據(jù)有限，但由圖6可知，當(dāng)偏航角為10°時，試驗與仿真中的水輪機的功率系數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但是仿真值略高于試驗值，兩者在尖速比為5時，功率系數(shù)達到最大，分別為0.33與0.28。當(dāng)偏航角為20°時與10°時相似，試驗與仿真中的水輪機的功率系數(shù)也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在尖速比為4時，功率系數(shù)最大。由于試驗過程中測量與裝置誤差存在以及仿真精度的影響，仿真值與試驗值存在一定誤差，但從試驗值與仿真值的趨勢對比可知，兩者吻合相對較好。

將仿真數(shù)據(jù)進行整理，得到功率系數(shù)峰值隨偏航角變化曲線(見圖7)，進行擬合，得到二次函數(shù)曲線為：

Cppeak=0.000 2γ2-0.1γ+0.41。

(1)

圖7 功率系數(shù)峰值變化

當(dāng)偏航角為0°時，功率系數(shù)最大為0.41；當(dāng)偏航角為10°時，功率系數(shù)為0.33；當(dāng)偏航角為20°，功率系數(shù)為0.29。根據(jù)公式(1)可進行不同偏航角(0°～20°)下最大功率系數(shù)的預(yù)測。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 性能曲線 功率系數(shù)與軸向力系數(shù)是衡量水輪機性能的無量綱參數(shù)，功率系數(shù)表征水輪機在水流中捕獲能量的多少；軸向力系數(shù)的計算為水輪機支撐裝置設(shè)計與安全校核提供參考[8]。無量綱的水輪機性能參數(shù)與槳距角大小、尖速比及偏航角有關(guān)，對研究水輪機性能具有重要研究意義。

為比較不同偏航角對水輪機軸向力系數(shù)及功率系數(shù)的影響，對不同尖速比(1～9)下水輪機軸向力系數(shù)及功率系數(shù)進行展示(見圖8和9)。

由圖8可知，三曲線在形狀上相似，都呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，在尖速比為1時，不同偏航角下水輪機軸向力系數(shù)幾乎相同，在尖速比為9時，達到軸向力系數(shù)最大值，分別為0.77，0.73，0.68，前期(λ<4時)，軸向力系數(shù)變化較大，后期(λ≥4時)軸向力系數(shù)隨尖速比變化相對較小。但整體上看，隨著偏航角的增大，軸向力系數(shù)減小，并且與0°偏航角相比10°偏航角下水輪機軸向力系數(shù)變化最大達到6%，而與0°偏航角相比20°偏航角下水輪機軸向力系數(shù)變化最大達到20%，偏航角急劇增加，軸向力也會出現(xiàn)大幅值變化。

由圖9可知，隨著偏航角變化，曲線大致形狀沒有發(fā)生改變，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在尖速比為5時，三曲線達到最大值，分別為0.41，0.33和0.29，在尖速比為1與2時，功率系數(shù)相差不大，之后由于偏航角的存在表現(xiàn)出較大差距。整體上看，隨著偏航角的增大，獲能(功率系數(shù))逐漸減小，計算可知，0°偏航角與10°偏航角下水輪機功率系數(shù)最大差值為0.08，0°偏航角與20°偏航角下水輪機功率系數(shù)最大差值為0.12。

圖8 不同偏航角下軸向力系數(shù)比較

圖9 不同偏航角下功率系數(shù)比較

出現(xiàn)以上趨勢與變化的主要原因如下：

(1) 當(dāng)水輪機處于偏航狀態(tài)下，隨著偏航角的增大，水輪機掃掠面的軸向投影越來越小，不利于獲能，但是軸向力會相應(yīng)減小。

(2) 由于處于偏航狀態(tài)，當(dāng)水流沖擊水輪機時，水流在水輪機上會分解成兩個方向流速，軸向流速及切向流速，而只有前者才有利于能量的捕獲。

(3) 偏航角的增大會進一步加大渦旋尺度，同時增大湍流強度，在高湍流強度環(huán)境中更不利于水輪機獲能。

2.2.2 水輪機葉片壓力分布 實際海洋環(huán)境中，由于來流的影響，在水輪機迎流面會形成正壓力，在水輪機背流面由于水輪機葉片的阻礙作用形成負(fù)壓，壓力差的存在會對水輪機強度提出更高的要求，因此壓力分布的分析對于水輪機正常運行具有舉足輕重的作用。本節(jié)對設(shè)計工況(來流0.5 m/s，尖速比為5)下不同偏航角下水輪機正負(fù)壓變化云圖進行分析，為水輪機強度校核提供直觀參考。不同偏航角下水輪機正負(fù)壓云圖(見圖10)。

由圖10可知，當(dāng)水輪機正向迎流γ=0°時，正負(fù)壓力分布均勻，呈現(xiàn)對稱分布，需對水輪機葉片進行靜強度校核；隨著偏航角的增大，正負(fù)壓的分布不具備對稱性，沒有規(guī)律可循，并且，水輪機處于葉片的某一特定位置正壓和負(fù)壓都出現(xiàn)大幅度增大，在這一位置葉片受交變彎曲應(yīng)力的作用，產(chǎn)生彎曲變形，且有應(yīng)力集中，如長時間運行，會造成葉片的疲勞斷裂，同時，在葉片葉尖的位置，迎流面出現(xiàn)正高壓，背流面出現(xiàn)負(fù)高壓，因此，對處于偏航狀態(tài)的水輪機，不僅要進行靜強度校核，還要進行疲勞強度校核。

圖10 不同偏航角下水輪機正負(fù)壓分布云圖

2.2.3 尾流與渦流分布 尾流描述的是流體經(jīng)過與其相對運動的物體后，水流流速變化情況[9]。而尾流速度云圖能夠直觀對水輪機前后流場速度變化進行展示，通過ANSYS后處理模塊CFD-POST對設(shè)計工況(來流為0.5 m/s，尖速比為5)下水輪機所處的流場進行描述，來探究偏航角對水輪機所處流場影響(見圖11)。

由圖11可知，γ=0°時尾流場呈現(xiàn)出一種近似有規(guī)律的對稱分布，在其正后方尾跡及速度有規(guī)律衰減，其基本規(guī)律可參考文獻[10]，但是隨著偏航角變大，來流并不是正面沖擊水輪機，水輪機三個葉片中首先接觸來流的葉片轉(zhuǎn)動造成尾流，此葉片產(chǎn)生的尾流與來流共同對其他的葉片作用，這樣就出現(xiàn)了不同葉片后尾流相差較大的原因。偏航角γ=0°與γ=10°的最高尾流流速為0.6 m/s左右，當(dāng)偏航角γ=20°，水輪機尾流場出現(xiàn)近似混亂狀態(tài)，其尾流無規(guī)律可循，在水輪機后方，出現(xiàn)了速度最高點能達到0.8 m/s左右，出現(xiàn)了速度最低點大約0.4 m/s，速度差會造成渦旋的形成，不同偏航角下的渦旋圖(見圖12)。

圖11 不同偏航角尾流場變化云圖

圖12 流場渦旋圖

渦流圖可以從三維角度直觀反映水輪機渦旋變化情況。由圖12可知，由于水輪機的旋轉(zhuǎn)會造成水流在水輪機迎流部分形成邊界層，同時也會造成漩渦脫落。偏航角γ=0°時，水輪機旋轉(zhuǎn)形成的渦比較規(guī)則，在葉片后方脫落；偏航角γ=10°時，出現(xiàn)不規(guī)則漩渦脫落，同時水輪機周圍渦旋出現(xiàn)缺口；偏航角γ=20°時，渦旋的尺度明顯增大，并且不規(guī)則性增加，在此狀態(tài)下的水輪機處于一種高湍流狀態(tài)，對葉片強度校核提出更高的要求，同時湍流強度也影響著下游尾流衰減過程，不同偏航角下不同斷面尾流速度虧損沿橫向分布(見圖13)。

圖13 不同斷面尾流速度虧損橫向分布

與水輪機旋轉(zhuǎn)平面垂直方向稱之為徑向，由圖13可知不同偏航角下，尾流區(qū)轉(zhuǎn)輪掃水面兩側(cè)的流速都明顯增大，隨著徑向距離的增加，橫斷面上的速度虧損值衰減，并沿橫向擴展。γ=0°時，下游不同斷面上的速度虧損值在橫向上分布呈雙峰拋物線，最大速度虧損的峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪的葉尖附近，在下游6D斷面尾流峰值基本上消失，速度虧損沿橫向的分布基本趨于均勻化。隨著偏航角的增大，速度虧損值在橫向上分布由雙峰拋物線逐漸變?yōu)槎喾?，?10°時，下游1D和2D斷面基本呈不對稱三峰拋物線，最大速度虧損的峰值向轉(zhuǎn)輪一側(cè)移動，速度虧損的峰值分別出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪中心軸線附近和轉(zhuǎn)輪葉尖附近，下游4D和6D斷面速度虧損衰減為對稱雙峰拋物線，沿橫向分布也逐漸均勻。γ=20°時，在下游1D斷面速度虧損呈明顯三峰拋物線，隨著徑向距離的增加，速度虧損衰減的，分布也由三峰拋物線逐漸變?yōu)殡p峰，在下游6D斷面峰值消失，橫向分布趨于均勻。速度虧損峰值較易出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪中心軸線附近和葉尖附近，因此不同偏航角下這3個位置尾流區(qū)速度變化沿徑向分布(見圖14)。

圖14 尾流區(qū)速度變化徑向分布

由圖14可知，γ=0°時速度變化沿徑向分布相對穩(wěn)定，波動較小，隨著偏航角的增大，速度變化沿徑向分布波動越來越大，但不同偏航角下，下游徑向距離10RD之后，速度變化趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

在Solidworks建立水輪機三維模型的基礎(chǔ)上，運用Gambit進行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定，基于ANSYS Fluent軟件，采用SST k-ω湍流模型及滑移網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)模型對不同偏航角下水輪機進行數(shù)值模擬，對偏航工況下水輪機性能進行研究，并進行試驗驗證，結(jié)論如下：

(1) 通過模型試驗，得到不同偏航角下水輪機性能參數(shù)數(shù)據(jù)，并與CFD仿真數(shù)據(jù)進行對比，兩者吻合良好。

(2) 隨著偏航角的增大，衡量水輪機性能的無量綱參數(shù)軸向力系數(shù)和功率系數(shù)降低。

(3) 隨著偏航角的增大，水輪機葉片受力不均勻，受彎曲應(yīng)力作用，且在某一特定位置存在應(yīng)力集中，葉片容易疲勞斷裂，對葉片強度校核提出更高要求。

(4) 隨著偏航角的增大，尾流場流速變化不對稱越來越明顯，且會造成周圍流場湍流強度的改變，同時尾流區(qū)速度變化橫向和徑向分布波動越來越大，但隨著徑向距離的增大，速度虧損衰減，速度趨于平穩(wěn)。

選取SST k-ω湍流模型及滑移網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)模型模擬并分析不同偏航角下的水輪機各項參數(shù)，獲得了水輪機在偏航工況下的性能參數(shù)變化規(guī)律及尾流場變化規(guī)律，并進行了模型水槽試驗，但水輪機所處海洋環(huán)境更為復(fù)雜，擬在以后的研究中，結(jié)合實際海況數(shù)據(jù)對水輪機性能及尾流特性進行分析。