水平軸潮流能水輪機(jī)三維數(shù)值模擬*

宋文龍 劉湘晨 周 曉 張馨玉

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院)

我國擁有綿長的海岸線，海洋資源豐富，且潮流能能量密度較大的水道眾多。據(jù)一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告顯示：沿海潮流能的年平均功率理論值高達(dá)14GW，且潮流能具有循環(huán)利用率高及綠色環(huán)保無污染等特點(diǎn)，如果能合理、有效地利用這類能源將會從根本上解決我國化石燃料匱乏的問題。水輪機(jī)則是目前利用潮流能的主要裝備，因此其性能研究和開發(fā)已成為目前研究的熱點(diǎn)問題。

水輪機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，漲落潮、季風(fēng)、洋流及氣候變化等均會對其正常運(yùn)作造成影響，因而了解變工況下的水輪機(jī)工作性能是其設(shè)計(jì)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。但由于水輪機(jī)工作環(huán)境的特殊性，利用實(shí)驗(yàn)來了解其在變工況下的工作性能不僅耗時、耗力、耗資，而且很難控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)，因此數(shù)值模擬成為這一研究的主要手段。

目前，國內(nèi)外研究人員運(yùn)用不同的模擬方法，對變工況條件下水輪機(jī)的流場進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，筆者采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小型水輪機(jī)樣機(jī)的壓力場和速度場進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了水輪機(jī)空化和渦流效應(yīng)產(chǎn)生的原因和重點(diǎn)區(qū)域。

1 水輪機(jī)模型

1.1模型參數(shù)

筆者針對水平軸潮流能水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用NACA638- xx系列翼型組成葉片[1]，并采取三葉片結(jié)構(gòu)。其具體參數(shù)如下：

額定功率 50W

能量系數(shù)Cp0.35

水流速度V01.25m/s

水輪機(jī)傳動效率η0.85

海水密度ρ1 025kg/m3

葉片半徑R200mm

尖速比λ2.0

葉片數(shù)B3

1.2模型建立與網(wǎng)格劃分

筆者采用簡化模型，流域?yàn)橐粓A管，中間為水輪機(jī)所處的滑移區(qū)域(圖1)，管前段和后段長度均為3m，直徑D為600mm。利用ICEM軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于葉片形狀較為復(fù)雜，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自適應(yīng)性很好，且在滑移網(wǎng)格模型中不容易出現(xiàn)負(fù)體積的情況，因此采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行劃分。全局網(wǎng)格尺寸因數(shù)(scale factor)設(shè)置為1.0，最大網(wǎng)格尺寸(max element)設(shè)定為40，Curvature/Proximity Based Refinement選取Enable，min size limit設(shè)置為1.0，其余保持默認(rèn)。為了更好地觀測水輪機(jī)的流場參數(shù)，必須對其進(jìn)行網(wǎng)格加密以便提高數(shù)值計(jì)算精度，選取水輪機(jī)所包含的平面，設(shè)置Maximum size為28，其余保持默認(rèn)。劃分網(wǎng)格后模型如圖2所示，共有1 050 009個單元，180 586個節(jié)點(diǎn)。

圖1 水輪機(jī)模型結(jié)構(gòu)

圖2 水輪機(jī)網(wǎng)格劃分

1.3邊界條件

筆者采用MRF滑移網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，流體域分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域(圖3)，其中水輪機(jī)周圍定義一個圓柱子域?yàn)樾D(zhuǎn)域，其余部分為靜止域，兩部分通過交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交界面形式為interior?；凭W(wǎng)格可以模擬轉(zhuǎn)子和定子之間的真實(shí)影響，描述流場隨時間變化的特性。入口邊界為速度進(jìn)口，出口邊界為壓力出口，水輪機(jī)和壁面為wall。

圖3 水輪機(jī)區(qū)域劃分

1.4控制方程與計(jì)算方法

利用Fluent軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，壓力和速度耦合用Simple算法，離散化采用標(biāo)準(zhǔn)形式，其余采用二階迎風(fēng)格式。湍流模型采用RNGk-ε模型[2]，此模型可以更好地處理高應(yīng)變率和高流線彎曲程度的流動，其方程為：

(1)

(2)

μeff=μ+μt

其中，Cu=0.0845，αk=αε=1.39，C1ε*=1.42，C2ε=1.68，η0=4.377，β=0.012。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1水輪機(jī)的空化

空化是以水為工作介質(zhì)的流體機(jī)械普遍存在的問題。當(dāng)水輪機(jī)葉片表面壓力低于水的汽化壓力時，在水和葉片表面的交界面上會出現(xiàn)蒸汽或氣泡，氣泡潰滅時會對葉片表面產(chǎn)生巨大的沖擊能量，從而破壞葉片結(jié)構(gòu)，影響水輪機(jī)壽命，降低發(fā)電效率[3]。水輪機(jī)處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，轉(zhuǎn)速到達(dá)一定值時就可能發(fā)生空化。選擇水輪機(jī)安裝角為10°時，得到在不同尖速比下葉片壓力面(左)和吸力面(右)的靜壓分布云圖(圖4)。

a. λ=0.5

b. λ=1.0

c. λ=1.5

d. λ=2.0

e. λ=3.0

f. λ=4.0

g. λ=5.0

從圖4可以看出：隨著尖速比的增大，葉片壓力面所受到的最大壓強(qiáng)逐漸增大；吸力面高壓區(qū)從葉片前緣逐步向葉片后緣轉(zhuǎn)移；葉片吸力面的最小壓強(qiáng)值逐漸減小，低壓區(qū)從葉根向葉尖處轉(zhuǎn)移。

判斷是否發(fā)生空化，需要對比水的空化數(shù)σ和葉片的壓力系數(shù)Cs，其計(jì)算式分別為：

(3)

(4)

式中h——淹沒深度；

pAT——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ?/p>

pV——水汽化壓力；

pL——截面壓力；

p0——葉片截面參考靜壓。

當(dāng)σ≤-Cs時，空化發(fā)生。從圖5可以看出，吸力面壓力越低越容易發(fā)生空化。在安裝角為10°時不同尖速比下吸力面的最低壓強(qiáng)見表1。查閱資料得到水在不同溫度下的汽化壓力值見表2。

表1 安裝角為10°時不同尖速比下吸力面的最低壓強(qiáng)

表2 水在不同溫度下的汽化壓力值

由表1、2可知，尖速比λ=0.5時，吸力面最低壓強(qiáng)為-1 510Pa，小于水在0～50℃時的汽化壓力值，因此會發(fā)生空化現(xiàn)象；而且隨著尖速比的不斷加大，空化現(xiàn)象也會隨之加深。

由流體力學(xué)可知，同一葉片不同截面區(qū)域所受靜壓不同，為了探尋葉片哪個區(qū)域空化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，分析尖速比λ=2.0時沿葉片展向不同半徑下的靜壓分布(圖5)。

圖5 尖速比λ=2.0時沿葉片展向不同半徑下的靜壓分布

分析圖5可知：葉片根部和葉片尖部有明顯的低壓區(qū)存在，由空化理論可知，在這些區(qū)域較容易發(fā)生空化；而葉片中部無明顯低壓區(qū)存在，不容易發(fā)生空化。葉片軸向力是葉片壓力面壓力值和吸力面壓力值的差值，觀察可知，在葉片尖部所受軸向力較大，因此是容易發(fā)生變形的重點(diǎn)區(qū)域。

為了防止空化現(xiàn)象給水輪機(jī)造成危害，從以上分析可知，降低水輪機(jī)轉(zhuǎn)速可有效防止空化現(xiàn)象的發(fā)生。由文獻(xiàn)[4]可知，通過適當(dāng)增加葉片厚度、增大翼型彎度可降低空化發(fā)生；對葉片表面進(jìn)行處理，優(yōu)化其物理特性，也可以減小空化發(fā)生的幾率。

2.2水輪機(jī)的渦流效應(yīng)

水沖擊水輪機(jī)葉片帶動其旋轉(zhuǎn)時會在水輪機(jī)尾部形成渦流。為分析這一現(xiàn)象，選取水輪機(jī)工作不同截面(y為-0.5D、-0.25D、0、0.25D、0.5D、0.75D、D、2D、3D、5D截面和x=0截面)的速度云圖(圖6)。

a. y=-0.5D截面 b. y=-0.25D截面

c. y=0截面 d. y=0.25D截面

e. y=0.5D截面 f. y=0.75D截面

g. y=D截面 h. y=2D截面

i. y=3D截面 j. y=5D截面

k. x=0截面

分析圖6，在水輪機(jī)前端-0.5D處，由于葉片旋轉(zhuǎn)，在其周圍形成了高速區(qū)；在水輪機(jī)后端，高速區(qū)形成的渦流繼續(xù)影響著尾流速度，在y=D截面仍然作用明顯，直到y(tǒng)=2D截面區(qū)域才明顯減弱，在y=5D截面以后的區(qū)域，渦流效應(yīng)基本消失；在y=0和y=0.5D截面區(qū)域之間，水輪機(jī)輪轂后面有明顯的低速區(qū)，這是由輪轂的阻礙作用形成的渦流，但很快消失，對水輪機(jī)正常工作影響不大。在排列水輪機(jī)組陣型和安裝導(dǎo)流罩的時候要充分考慮渦流效應(yīng)的影響，兩個水輪機(jī)之間要保留合適的距離，防止渦流效應(yīng)降低水輪機(jī)發(fā)電效率，干擾其正常運(yùn)行。

3 結(jié)論

3.1隨著水輪機(jī)尖速比的增大，葉片的低壓區(qū)和高壓區(qū)從前緣逐步往后緣擴(kuò)展，從葉片中部向葉尖區(qū)域蔓延，導(dǎo)致葉尖后緣處所受軸向力逐步加大，容易發(fā)生變形，破壞葉片結(jié)構(gòu)。

3.2水輪機(jī)葉片會發(fā)生空化現(xiàn)象，主要區(qū)域集中在葉根和葉尖的低壓區(qū)，隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，空化現(xiàn)象會逐漸嚴(yán)重。可以采用降低轉(zhuǎn)速和加大葉片翼型厚度和彎度的方法減小空化發(fā)生的幾率。

3.3從水輪機(jī)前端-0.5D至后端2D之間的區(qū)域有明顯的渦流效應(yīng)發(fā)生，這對水輪機(jī)組的布置和導(dǎo)流罩的安裝造成影響；在后端大于5D的區(qū)域，渦流效應(yīng)基本消失。

[1] Bertagnolio F，S?rensen N，Johansen J，et al.Wind Turbine Airfoil Catalogue[M].Danmark：Ris? National Laboratory， 2001.

[2] 辛?xí)赠i.水平軸海流能發(fā)電機(jī)械水動力性能的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3] 江帆，黃鵬.Fluent 高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4] 應(yīng)有，李偉，劉宏偉，等. 海流能發(fā)電裝置葉片性能及氣蝕研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008，(4)：8～11，19.