蘭雅梅，張婷婷，王世明，饒 勇，劉 爽

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

海流能作為一種新型的可再生清潔能源，其開(kāi)發(fā)與利用倍受關(guān)注。水輪機(jī)作為海流發(fā)電的主要部件，按照結(jié)構(gòu)可以分為垂直軸、水平軸、橫軸水輪機(jī)。為提高海流能水輪機(jī)發(fā)電效率，通常采用的方法是在水輪機(jī)葉輪外圍加裝導(dǎo)流聚能裝置，即導(dǎo)流罩。國(guó)內(nèi)外研究人員采用不同的模擬方法，對(duì)加裝導(dǎo)流罩后的水輪機(jī)動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。張亮、Wang、Setoguchi等學(xué)者[1-3]研究了對(duì)稱(chēng)式導(dǎo)流罩各個(gè)參數(shù)對(duì)增速性能的影響；Ponta等[4]提出了一款尾部擴(kuò)張形式的導(dǎo)流罩，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)垂直軸發(fā)電裝置水動(dòng)力性能進(jìn)行了分析；Alidadi等[5]對(duì)應(yīng)用于垂直軸水輪機(jī)的導(dǎo)流罩外形進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；Malipeddi、Cosoiu、Gaden等[6-8]通過(guò)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)流罩適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)垂直軸水輪機(jī)上下游的流量，增加功率轉(zhuǎn)換，比較了不同參數(shù)下的水動(dòng)特性變化規(guī)律。張歡、程帥兵等[9-10]對(duì)比分析垂直軸水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流罩情況下，流線(xiàn)分布特征、流量分布特性、以及水輪機(jī)所受驅(qū)動(dòng)力矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)特性。Fleming等[11]基于雷諾平均的N-S方程，分析了雙向?qū)Я髡謱?duì)水輪機(jī)能量利用率的影響，并與無(wú)導(dǎo)流罩情況進(jìn)行對(duì)比。Song等[12]基于Fluent研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流罩彎度F和攻角α可以顯著提高功率和軸向力水平，并影響功率系數(shù)曲線(xiàn)的變化。

導(dǎo)流罩內(nèi)流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)研究對(duì)水輪機(jī)獲能過(guò)程以及水動(dòng)力性能分析具有重要意義，但是目前國(guó)內(nèi)外的系統(tǒng)研究為數(shù)不多，尤其應(yīng)用于橫軸水輪機(jī)的研究鮮有報(bào)道。2011年～2016年，上海海洋大學(xué)海洋能研究團(tuán)隊(duì)在海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金資助下，進(jìn)行了橫軸水輪機(jī)發(fā)電裝置的系列研究[13-15]。本文基于此橫軸水輪機(jī)，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比分析其在有無(wú)導(dǎo)流罩情況下的水動(dòng)力性能，驗(yàn)證了導(dǎo)流裝置在提高能量利用率方面的效果，此研究將為后期水輪機(jī)及導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)方案

1.1 橫軸水輪機(jī)

橫軸水輪機(jī)的三維模型如圖1所示，其中標(biāo)號(hào)1為水輪機(jī)主軸，2為法蘭片，3為葉片翼型。其工作原理為，通過(guò)水流作用于葉片上的推力和升力，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)水輪機(jī)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。橫軸水輪機(jī)葉片采用弦長(zhǎng)為0.1 m的NACA663-018翼型，葉片數(shù)n為5。水輪機(jī)直徑d為0.64 m，展向長(zhǎng)度h為1 m，旋轉(zhuǎn)直徑D為0.9 m。

圖1 水輪機(jī)模型示意

1.2 導(dǎo)流罩

參考常用的設(shè)計(jì)方案，本文設(shè)計(jì)的流線(xiàn)型導(dǎo)流罩內(nèi)壁由收縮段，水平段和擴(kuò)散段三部分構(gòu)成。收縮段為光滑的弧形曲面，可減少偏向來(lái)流造成的流動(dòng)分離；收縮段的弧形曲面會(huì)一直過(guò)渡到水平段，之后的一段區(qū)域?yàn)橹本€(xiàn)型平面，保證該區(qū)域水流均勻穩(wěn)定；導(dǎo)流罩尾部，采用向外擴(kuò)張的弧形曲面，可在其附近形成低壓區(qū)，前后壓差產(chǎn)生的抽吸效果使通過(guò)水輪機(jī)的水流流速增加，從而增加水輪機(jī)的獲能率。導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，L1為導(dǎo)流罩水平段長(zhǎng)度，L2為總長(zhǎng)度，D1為入口間距，D2為水平段間距(簡(jiǎn)稱(chēng)為導(dǎo)流罩間距)，D3為出口間距；a為入口角度，b為出口角度。

圖2 流線(xiàn)型導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

當(dāng)導(dǎo)流罩中不放置水輪機(jī)時(shí)，導(dǎo)流罩內(nèi)的流速一般大于來(lái)流流速。但當(dāng)導(dǎo)流罩中放置水輪機(jī)后，可以預(yù)測(cè)，若水輪機(jī)與導(dǎo)流罩的間距太小，對(duì)水流的阻力太大，水流也可能繞過(guò)導(dǎo)流罩從周?chē)髯?，反而使?dǎo)流罩內(nèi)流速減小，因此導(dǎo)流罩對(duì)水輪機(jī)的影響作用需進(jìn)一步系統(tǒng)研究?，F(xiàn)選取導(dǎo)流罩入口角度a(因素A)、出口角度b(因素B)、導(dǎo)流罩間距與水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)直徑之比，即D2/D(因素C)為影響水輪機(jī)動(dòng)力性能的主要因素。對(duì)上述每一個(gè)影響因素取4水平，制定了16組正交設(shè)計(jì)方案。具體因素水平見(jiàn)表1，16個(gè)數(shù)值模擬方案見(jiàn)表2。

表1 因素水平表(3因素4水平)

表2 正交設(shè)計(jì)方案

2 計(jì)算模型

本文基于雷諾平均的N-S方程，采用二維CFD方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，湍流模型選用RNGk-ε模型。采用鄰近修正PISO算法求解壓強(qiáng)-速度耦合，加快收斂速度，節(jié)省運(yùn)算量。對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方法處理。

計(jì)算區(qū)域左邊設(shè)定為速度入口邊界條件，來(lái)流速度為1.5 m/s，葉輪旋轉(zhuǎn)角速度ω=11.5 rad/s，右邊設(shè)定為壓力出口邊界，上下為對(duì)稱(chēng)邊界，導(dǎo)流罩以及葉片為固壁邊界條件，旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速根據(jù)輪機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定，且與外部靜止域的交界為滑移邊界。計(jì)算域由外部靜止域和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域組成，葉片包裹于旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域直徑D=1.4 d，計(jì)算域前端取為5L2(L2為導(dǎo)流罩總長(zhǎng)度)，后端取為10L2，上下距離取為10D1(D1為導(dǎo)流罩入口間距)，計(jì)算域尺寸如圖3所示。為了保證計(jì)算的精確性，在葉片、導(dǎo)流罩、滑移壁面處的網(wǎng)格均需進(jìn)行加密，通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算流體域尺寸進(jìn)行無(wú)關(guān)性校驗(yàn)后，最終生成導(dǎo)流罩與水輪機(jī)計(jì)算網(wǎng)格，加密后水輪機(jī)附近的網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 整體計(jì)算區(qū)域

圖4 水輪機(jī)網(wǎng)格

3 單獨(dú)導(dǎo)流罩流場(chǎng)結(jié)果分析

在討論加裝導(dǎo)流罩橫軸水輪機(jī)的水動(dòng)力特性之前，先對(duì)無(wú)水輪機(jī)情況下導(dǎo)流罩的增速特性進(jìn)行計(jì)算分析，并據(jù)此得出導(dǎo)流罩中水輪機(jī)所處的橫向位置。圖5分別給出了方案9(入口角度a=26°、出口角度b=16°、D2/D=1.6)和流速1.5 m/s情況下，導(dǎo)流罩的速度與壓力分布云圖。

圖5 導(dǎo)流罩的流場(chǎng)云圖(方案9)

由速度云圖可看出：導(dǎo)流罩的水平段處流速值最大，處于主流區(qū)，該區(qū)域最大流速為來(lái)流流速的1.9倍。由壓力云圖可看出：由于導(dǎo)流罩頭部尖端處對(duì)水流的阻擋作用，該區(qū)域水流速度相對(duì)較小，靜壓值較大，當(dāng)進(jìn)入導(dǎo)流罩內(nèi)部時(shí)，靜壓值逐漸減小，出現(xiàn)負(fù)壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)導(dǎo)流罩水平段中心位置時(shí)，靜壓值急劇減小，負(fù)壓繼續(xù)增大，引起較大壓差，產(chǎn)生強(qiáng)烈抽吸作用，從而使更多的流體進(jìn)入導(dǎo)流罩內(nèi)，達(dá)到增加流體速度的目的。因此，將水輪機(jī)安放在導(dǎo)流罩的水平段中心位置，可獲得較高的速度，從而提高能量利用率。

4 加裝導(dǎo)流罩水輪機(jī)的水動(dòng)力性能

為了討論加裝導(dǎo)流罩后，導(dǎo)流罩對(duì)水輪機(jī)性能的影響，表3給出前文所述工況下(見(jiàn)表2)水輪機(jī)的力矩系數(shù)Cm、能量利用率Cp。查閱參考文獻(xiàn)[14]，其他條件相同下，未加裝導(dǎo)流罩的水輪機(jī)Cp為34.6%，與表3中數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究參數(shù)下，加裝導(dǎo)流罩后的Cp可增加25%～68%，該線(xiàn)型導(dǎo)流罩聚能作用非常明顯。由表3可知，方案12獲得的能量利用率最大，Cp=0.581。

表3 水輪機(jī)水動(dòng)性能參數(shù)模擬值

為排除隨機(jī)因素，明確各結(jié)構(gòu)參數(shù)的主次順序，需要對(duì)表3中的數(shù)據(jù)作極差分析。極差分析結(jié)果如表4所示，其中Ki為相應(yīng)水平i的試驗(yàn)結(jié)果之和，Kimean為相應(yīng)水平i的試驗(yàn)結(jié)果的平均值，R為極差。由表4可知，RB>RC>RA，因此導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水輪機(jī)能量利用率Cp的影響順序?yàn)椋撼隹诮嵌?導(dǎo)流罩間距>入口角度。

為進(jìn)一步得到能量利用率Cp隨各因素的變化規(guī)律，由表4數(shù)據(jù)繪制圖6，橫坐標(biāo)為各因素對(duì)應(yīng)的水平，縱坐標(biāo)為為相應(yīng)水平i的試驗(yàn)結(jié)果的平均值Kimean，也可理解為該水平下Cp的平均值。結(jié)合表4及圖6可得：

圖6 Cp與3個(gè)因素相應(yīng)水平的關(guān)系

表4 以Cp為指標(biāo)的極差結(jié)果分析

(1)因素A。Cp隨入口角度a的變化并不明顯，且Cp隨著a的增加有微小的下降趨勢(shì)，從a=22°時(shí)的0.523減小到a=28°時(shí)的0.513，降幅為2%，總體上降幅很小。本研究中，可取a=22°。

(2)因素B。Cp隨著出口角度b的增加明顯增加，Cp從b=16°時(shí)的0.472增加到b=22°時(shí)的0.563，增幅為19%。本研究中，當(dāng)出口角度b=22°

時(shí)，水輪機(jī)能量利用率最高。

(3)因素C。能量利用率Cp隨著導(dǎo)流罩間距D2與的增加先增加后減小。因此，在一定范圍內(nèi)，增加D2可有效地提高Cp，Cp存在一最大值，之后隨著D2的繼續(xù)增加，Cp不斷減小。本研究中，當(dāng)D2=1.3 m(D2/D=1.4)時(shí)，Cp最大。

綜上所述，對(duì)于本研究的橫軸水輪機(jī)，當(dāng)a=22°，b=22°，D2/D=1.4時(shí)，將獲得最為理想的Cp。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)5葉片橫軸水輪機(jī)在有無(wú)導(dǎo)流罩的情況下水動(dòng)力性能及能量利用率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明加裝導(dǎo)流罩能夠增加來(lái)流速度，并且導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能造成一定的影響。主要結(jié)論如下：

(1)導(dǎo)流罩在一定程度上增大了來(lái)流的速度，水平段中心處速度可增大至原來(lái)的2倍左右，為水輪機(jī)放置的最佳位置提供了理論依據(jù)，將水輪機(jī)安放在此，可獲得較高的速度，從而提高能量利用率。

(2)比較有、無(wú)導(dǎo)流罩情況下的橫軸水輪機(jī)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉輪外圍加裝導(dǎo)流罩，可增加水輪機(jī)能量利用率25%～68%，驗(yàn)證了該線(xiàn)型導(dǎo)流罩聚能作用非常明顯。

(3)橫軸水輪機(jī)能量利用率影響的大小依次為：導(dǎo)流罩出口角度、間距、入口角度。在一定范圍內(nèi)增加出口角度可有效提高能量利用率；當(dāng)導(dǎo)流罩間距為1.4倍水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)直徑時(shí)，其能量利用率達(dá)到最大；入口角度對(duì)能量利用率影響較小。