顏瑞雪,陳 韜,李國富,劉曉杰

（寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211）

近年來,潮流能由于其可預測性強和能量密度高等優(yōu)點成為廣受關注的可再生能源之一[1-2].水平軸潮流能水輪機作為目前最常用的一種潮流能發(fā)電裝置,具有能量轉換效率高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,但受其自身結構和葉片翼型等因素的影響,水平軸水輪機無法有效利用雙向水流流動,往往需要額外的輔助設備,存在運行穩(wěn)定性偏低、安裝與維護困難、成本較高等問題[3].因此,改善水輪機反向發(fā)電性能,提高對雙向水流流動能量的有效利用率,增加水輪機總輸出功率,對促進和加快海洋能的開發(fā)利用具有重要意義.

王樹杰等[4]為了提高水平軸水輪機的總發(fā)電功率,對一種水平軸水輪機的導流罩進行了優(yōu)化,研究了導流罩線型中收縮角度、收縮長度等參數(shù)與其性能之間的關系.周旭[5]對美國國家航空咨詢委員會(National Advisory Committee for Aeronautics,NACA)開發(fā)的2 種翼型進行了改造,將其用作水輪機葉片截面形狀,設計了一種懸浮式雙向潮流能水輪機,以有效利用雙向水流的能量,但由于采用懸浮式結構,水輪機在水下容易晃動,難以保持平衡,因此運行穩(wěn)定性較差.Luquet 等[6]研究了一種自適應導流裝置,該裝置利用導流裝置末端安裝的尾翼控制裝置整機的朝向,理論上可以使水輪機始終正對水流方向,避免了使用非固定式葉片或較復雜的輔助裝置,但由于自然環(huán)境中水流流動方向往往具有隨機性,可能會導致導流裝置頻繁調整,難以保持穩(wěn)定的姿態(tài),從而降低了發(fā)電裝置的運行穩(wěn)定性.張興等[7]等設計了一種擺動葉片式波浪能發(fā)電裝置,該裝置能將波浪的上下雙向運動轉化為葉片轉軸單向旋轉運動,提高對波浪能的利用效率,但存在響應不及時、能量轉換效率較低等問題.Khamlaj 等[8]利用有限元仿真軟件,通過改變不同導流裝置的形狀、曲率半徑等參數(shù),考察導流裝置結構和幾何參數(shù)對發(fā)電性能的影響,但未考慮水流雙向流動時導流裝置的性能變化.鄧智雯等[9]采用數(shù)值模擬與實驗設計相結合的方法,選取導流罩擴口段長度、中間段長度和開口張角為主要因素優(yōu)化裝置性能,但受到導流裝置結構影響,其反向性能相對較低.Matsushima 等[10]分析了一種帶后緣的擴張型導流罩幾何參數(shù)對增速效果的影響,研究了擴張角度與后緣長度的變化對裝置內部流速的影響,結果表明導流裝置擴張出口的幾何參數(shù)對其性能具有重要影響.綜上,目前多數(shù)研究重點關注如何提高水輪機的單向發(fā)電性能,忽視了潮流雙向流動對其性能的影響,而現(xiàn)有的雙向發(fā)電技術也存在維護困難、能量利用效率較低等問題.

本文基于文獻[11]中提出的復合式發(fā)電裝置,研究了一種用于雙向導流裝置的導流罩及其性能,分析了出入口所安裝的增速導流罩收縮和擴張幾何參數(shù)對提高水流速度及增加水輪機輸出功率的作用,以期提升水平軸潮流能水輪機的發(fā)電效率.

1 仿真模型的建立

1.1 工作原理

導流裝置的基本結構如圖1 所示,主要由出入口處的增速導流罩、導流管道、單向閥門組成.通過限位塊限制閥門的轉動方向,使其僅能朝單一方向開啟和關閉.水輪機安裝在裝置中心E 處,導流管道截面形狀為正方形.當水流從左至右流動時,外部水流從入口A 流入,推動入口B 與出口C處的閥門關閉,隨后水流流經(jīng)水輪機所在位置E,推動出口D 處閥門開啟后流出.當水流從右至左流動時,閥門的運動情況與上述相反.借助單向閥門對水流流向的控制,該裝置可將外部雙向流動的水流轉換為內部單向流動的水流,提高了水輪機對雙向水流能量的利用效率.

圖1 導流裝置基本結構示意圖

1.2 仿真參數(shù)設定

本文主要研究雙向導流裝置出入口位置所安裝的增速導流罩,分析其收縮角度和長度、擴張角度和長度等幾何參數(shù)對其阻力損耗、流速比及水輪機發(fā)電功率的影響,不涉及中部“工”字形導流管道的轉角半徑R、管道寬度d等幾何參數(shù)對內部阻力損耗以及水輪機發(fā)電功率的影響.因此,選取導流管道寬度d=0.5 m,中心高度H=0.2d,轉角半徑R=1.5d,過渡段長度L=0.2d.

利用有限元仿真軟件Fluent 對水流流動進行模擬,選擇Realizablek-ε湍流模型作為仿真計算模型,該模型對有曲率流動、分離流動以及二次流等復雜流動有較好的計算精度[12].由于海水通常視為具有不可壓縮性,因此選用基于壓力的Simple 算法,該算法廣泛應用于不可壓縮流的穩(wěn)態(tài)分析,具有計算精度高、求解速度快等優(yōu)點.采用高精度的二階迎風格式作為離散控制方程進行計算,可有效地提高求解精度,避免解的發(fā)散.

模型邊界條件的設定如圖2 所示,采用多重參考系方法對水輪機旋轉運動進行模擬,并將仿真水域劃分為靜止域和旋轉域兩部分.根據(jù)真實海洋環(huán)境中水流自由流動的特點,在仿真水域邊界條件的設定中,將邊界入口設定為速度入口,模擬水流的自由流動.出口為壓力出口,可保障水流充分流動,其余邊界設定為不可滑移壁面.為防止水流回流導致求解發(fā)散,影響計算結果的準確性,設置出口長度為Lout=30d,入口長度Lin=15d,圓柱形仿真水域直徑D=20d,避免阻塞效應對計算結果造成影響.

圖2 邊界條件

1.3 導流罩性能評價模型

水輪機從水流中獲得的功率為[13]:

式中:P為發(fā)電功率,W;ρ為水流密度,kg?m-3;A為葉片掃掠面積,m2;v為水輪機前方來流速度,m?s-1;Cp為水輪機葉片的功率系數(shù).

從式(1)可看出,水輪機輸出功率受水流速度影響極大,因此在對增速導流罩進行優(yōu)化過程中,采用計算流速比(導流管道內葉片旋轉平面處的平均流速與外部流速的比值)作為評估導流罩性能的指標.流速比的計算公式為:

式中:i為流速比;ν∞為外部水流平均速度,m?s-1;ν1為導流管道中心截面水流平均速度,m?s-1.

2 數(shù)值分析與試驗驗證

2.1 入口導流罩分析

入口處導流罩通過縮小管道截面面積來提高裝置內部水流速度,增加水輪機輸出功率.收縮長度L1和收縮角度α是影響導流罩性能的主要參數(shù).利用仿真軟件對不同導流罩幾何參數(shù)的內部流場進行分析,優(yōu)化導流罩尺寸,以提高其性能.不同幾何參數(shù)時裝置截面的速度云圖如圖3 所示.對比圖3(a)和圖3(b)可看到,在收縮長度相同時,增加收縮角度后導流管道入口處的水流速度相對有所下降,但內部水流高速區(qū)域范圍相對增大.對比圖3(a)和圖3(c)可看到,在收縮角度不變時,增加收縮長度使得導流管道內部高速區(qū)域范圍擴大,有利于流速比的提高.對比圖3(b)和圖3(d)發(fā)現(xiàn),當收縮角度較大時,增加收縮長度使得入口處的水流速度降低,導流管道內部的水流速度也有所下降.上述結果表明,收縮角度過大可能會導致水流收縮過于劇烈而引起能量損失,因此收縮角度不宜過大.

圖3 入口導流罩不同幾何參數(shù)時裝置截面速度云圖

圖4 是流速比隨收縮角度增加的變化曲線.從圖4 可發(fā)現(xiàn),不同收縮長度下,隨著導流罩收縮角度的增加,流速比呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢,當入口導流罩選擇收縮角度為10°,收縮長度為0.6d時,其流速比為0.957,能夠獲得較高的性能.

圖4 入口導流罩幾何參數(shù)對流速比的影響

2.2 出口導流罩分析

擴張型導流罩可以增加進出口之間的壓力差,形成一股吸力,提高內部水流速度,擴張角度β和擴張長度L2是影響其性能的關鍵因素,不同擴張長度時裝置的截面速度如圖5 所示.從圖5 可看出,隨著出口擴張長度的增加,導流管道內部的水流速度明顯增加,內部高流速區(qū)域范圍顯著擴大.

圖5 不同擴張長度時裝置截面速度云圖

圖6 是流速比隨擴張角度增加的變化曲線.從圖6 可看到,在相同擴張角度下,適當增加擴張長度能使得流速比提高.數(shù)據(jù)表明,選擇L2=1.4d,β=12°作為出口導流罩設計尺寸能獲得較好的性能,此時流速比可達到1.13,顯著提高了導流管道內部的水流速度.

圖6 出口導流罩幾何參數(shù)對流速比的影響

2.3 導流罩對發(fā)電性能的影響

前文通過改變導流罩的幾何參數(shù)得到了優(yōu)化后的收縮長度、角度以及擴張長度、角度的取值.考慮到安裝導流罩與水輪機之間存在相互影響,其實際效果難以僅通過流速比進行直接計算,因此選擇α=10°、L1=0.6d、L2=1.4d、β=12°作為出入口導流罩設計尺寸,與水輪機相結合驗證其用于發(fā)電時的效果.

葉尖速比是影響水輪機發(fā)電性能的重要因素之一,其計算公式為:

式中:λ為葉尖速比;νtip為葉片尖端線速度,m?s-1;ω為葉片轉速,rad?s-1;r為葉片半徑,m.

根據(jù)式(3),通過仿真軟件設定水輪機葉片轉速可獲得不同的葉尖速比,從而得到水輪機的功率系數(shù)曲線,對安裝導流罩前后的水輪機發(fā)電性能進行對比分析.為便于對比加裝導流罩前后水輪機輸出性能的變化,將裸葉片水輪機的最大功率系數(shù)設置為1,通過相對功率系數(shù)衡量加裝導流罩前后不同葉尖速比下的水輪機功率系數(shù)變化.相對功率系數(shù)的計算公式為:

式中:Cpr為相對功率系數(shù);Cpλ為不同葉尖速比下水輪機功率系數(shù);Cpmax為裸葉片水輪機的最大功率系數(shù).

結合式(2)～(4),通過有限元仿真軟件Fluent,計算不同葉尖速比下水輪機單向發(fā)電的相對功率系數(shù),結果如圖7 所示.

圖7 不同裝置條件下水輪機功率系數(shù)對比

從圖7 可看到,由于導流管道內部存在轉角,水流在導流管道內部流動時受到轉角阻力的影響而導致能量損耗,因此水輪機相對功率系數(shù)有所下降,通過增速導流罩的匯流聚能作用,顯著提高了導流管道內部的水流速度.根據(jù)仿真數(shù)據(jù),在安裝增速導流罩前水輪機Cpr=0.769,安裝增速導流罩后Cpr=1.079,表明增速導流罩對提升相對功率系數(shù)效果明顯.

功率系數(shù)是水輪機對水流能量的有效利用效率.根據(jù)式(1)可知,功率系數(shù)的提升會使水輪機的輸出功率增加.因此,在水流雙向流動速度大小完全一致的理想情況下,一般裸葉片水輪機在反向來流時發(fā)電效率極低,可認為裸葉片水輪機的雙向發(fā)電功率與其正向發(fā)電功率相等為1.使用導流罩后水輪機雙向總發(fā)電功率的計算公式為:

式中:P0為裸葉片水輪機的總發(fā)電功率.

仿真結果表明,無增速導流罩時總發(fā)電功率為1.54 W,增加增速導流罩后總發(fā)電功率為2.16 W,總發(fā)電量提高了40%.

2.4 試驗研究

為驗證優(yōu)化后增速導流罩的實際效果,設計水下拖拽試驗進行發(fā)電性能測試.試驗時,發(fā)電裝置與導流裝置吊裝在一輛可在水箱上方雙向滑行的滑車下方,滑車一端通過牽引繩與電動機上的卷線桶相連接,啟動電動機可以收卷牽引繩,拖拽發(fā)電裝置在水下移動,通過調整電動機的轉速可以實現(xiàn)不同的拖拽速度,從而實現(xiàn)對不同水流速度的模擬.發(fā)電裝置與電阻串聯(lián),通過測量負載電阻上的電壓計算發(fā)電裝置的輸出功率,并以此分析發(fā)電裝置的發(fā)電性能.為了對比安裝增速導流罩前后,負載電功率的增長情況,量化發(fā)電裝置輸出功率的增長幅度,根據(jù)不同流速下的負載電功率數(shù)據(jù),計算相對功率增長系數(shù),其計算公式為:

式中:Pd為有導流裝置時的總負載電功率,W;Pt為裸葉片的總負載電功率,W.

試驗時,拖動滑車在水下來回正向和反向移動以模擬水流的雙向流動,并通過多次反復移動,獲得發(fā)電裝置外接電阻上的電壓信號,最后根據(jù)式(6)對加裝增速導流罩前后的發(fā)電裝置功率變化進行計算,結果如圖8 所示.

通過控制滑車的移動速度,拖動發(fā)電裝置以1 m·s-1的平均速度在水下運動.根據(jù)相對運動原理,可認為此時的水流雙向流動的平均速度同為1 m·s-1.試驗數(shù)據(jù)表明,在相同試驗條件下,加裝增速導流罩能使發(fā)電裝置發(fā)電功率相對提高約37%,此結果雖因受裝置制造精度等因素影響低于仿真值,但比較接近,說明加裝增速導流罩對發(fā)電裝置性能的提高有效.

圖8 相對功率增長系數(shù)變化曲線

3 結論

(1)對增速導流罩進行優(yōu)化設計發(fā)現(xiàn),在入口的收縮導流罩幾何參數(shù)中,收縮角度對其性能影響最為顯著,隨著收縮角度增加,流速比呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢;對于出口處的擴張導流罩,擴張長度對其性能影響較大,在擴張角度保持不變時,增加擴張長度有利于提高流速比,當擴張長度保持不變,流速比隨擴張角度的增加,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.

(2)在導流管道的出入口處安裝增速導流罩,其收縮角度為10°、收縮長度為0.4d、擴張角度為12°、擴張長度為1.4d時,流速比可達1.13.增速導流罩的使用可明顯增加導流管道內部的水流速度,提高其性能.

(3)對加裝增速導流罩前后的發(fā)電裝置進行水下發(fā)電試驗表明,當水流雙向流動速度為1 m·s-1,在導流管道的外部安裝增速導流罩可顯著提高發(fā)電裝置雙向發(fā)電時總輸出功率,與安裝前相比提高約37%.