水平軸潮流能水輪機葉片變槳角度研究

摘要：利用Flow-3D軟件建立了單樁型水平軸潮流能發(fā)電機的三維數(shù)值模型。采用該模型對不同葉片變槳角度時的水動力過程進行了模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果從葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪動能、葉輪受力、水位和流速變化的角度進行了分析和討論。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當葉片變槳角度增大時，來流方向的葉輪受力和葉輪動能也都隨之增大;變槳角度對于與來流垂直的y和z方向的葉輪受力影響較小;葉片變槳角度越大、水輪機下游附近流速降低的越快，流速就越小，而在水輪機下游較遠處，葉片變槳角度越大，尾流場恢復得越快，其流速也越大。

關(guān)鍵詞：潮流能;三維數(shù)值模擬;葉片變槳角度;水輪機;水動力特性

中圖法分類號：TV734

文獻標志碼：A

DOI：l0.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.036

1研究背景

能源是人類賴以生存和經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求也日益增長。潮流能由于具有能量密度大、儲量豐富、規(guī)律性強以及載荷穩(wěn)定等特點而越來越受到世界各科技強國的關(guān)注和重視[1-5]。潮流能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分是潮流能發(fā)電機組，目前由于其能量提取率高、技術(shù)成熟穩(wěn)定，水平軸潮流能發(fā)電機組成為了應(yīng)用較廣的機型[6-9]。對于水平軸潮流能機組而言，開展潮流能水輪機葉輪變槳角度對葉輪水動力響應(yīng)影響方面的研究，可以為水輪機控制系統(tǒng)設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

李志川等人[10]對CFD技術(shù)在潮流能發(fā)電中的應(yīng)用情況進行了介紹，并指出：隨著計算機技術(shù)及計算數(shù)學技術(shù)的發(fā)展，CFD必將逐步成為研究潮流能發(fā)電的主要手段。袁金雄[11]借助于數(shù)值模型，對不同推力系數(shù)條件下的尾流場的變化規(guī)律進行了模擬分析，結(jié)果表明：推力系數(shù)對尾流場具有顯著的影響，隨著推力系數(shù)的逐漸增大，尾流流速和尾流流速的恢復速度都隨之減小。Li等[12]對單臺單樁式水平軸潮流能機組周邊的流場分布特性進行了研究。辛小鵬等人[13]采用數(shù)值模擬開展了研究，模擬結(jié)果表明：當上下游水輪機縱向間距在5D（5倍葉輪直徑）以內(nèi)時，上游機組的尾流對下游機組發(fā)電效率的影響較大;當縱向間距增大到30D時，尾流對發(fā)電效率的影響能顯著減小到可忽略的程度。譚俊哲等人[14]采用數(shù)值模型，研究了海底地形變化對潮流能水輪機水動力響應(yīng)的影響。Mal-kiR等[15]借助于數(shù)值模型，對潮流能水輪機發(fā)電效率與間距之間的關(guān)系進行了模擬分析。StallardT等人[16]通過采用模型試驗的方法，對潮流能水輪機組尾流場的空間分布特點和尾流影響區(qū)域等進行了研究。MacLeodAJ等人[17]采用數(shù)值模型，分析了潮流能水輪機葉輪安裝高度和葉輪軸向推力系數(shù)等因素對尾流場的影響。安佰娜[18]采用數(shù)學模型，對0～35D范圍內(nèi)逐漸增加上下游潮流能水輪機間的縱向間距進行了模擬分析，從而得到了不同縱向間距下水輪機間的影響規(guī)律;同時，還對潮流能水輪機不同布置形式時的流速、壓強和紊流等水動力要素的分布規(guī)律進行了對比分析。

目前，國內(nèi)外對于水平軸潮流能機組的研究，主要還是集中在潮流能機組尾流場空間的分布及多機組相互影響規(guī)律的研究上，而對于葉片變槳角度方面的研究則相對較少。對于上述問題，本文采用三維計算流體動力學軟件Flow-3D，針對單樁式水平軸潮流能發(fā)電機組，模擬分析了葉片變槳角度對葉輪受力、葉輪獲能效率和尾流場等產(chǎn)生的影響。

2數(shù)學模型

在進行數(shù)值模擬時，是以N-S方程為控制方程進行水動力模擬的。運用GMO模塊來模擬剛體在流體內(nèi)的運動狀況，即剛體與流體間的流固耦合運動;采用FAVOR方法，利用簡單的矩形網(wǎng)格來表示葉輪復雜的幾何形狀。

2.1水流控制方程

以N-S方程作為流體運動控制方程，應(yīng)用流體體積法（VOF）[19]，來跟蹤處理自由水面;采用大渦模擬（LES）方法來模擬紊流運動。質(zhì)量連續(xù)方程為

公式

式中，VF為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的體積百分，%;t為時間，s;p為流體密度，kg/m3;RSOR為質(zhì)量源項;RDIF為擴散項;Ax，Ay，Az分別為流體在x，y，z方向所占的面積百分比，%;u，v，w分別為流體在x，y，z方向的速度分量。

x，y，z方向上的動量守恒方程可以分別以如下形式表示：

公式

式中，Gx，Gy，Gz分別為重力加速度在x，y，z方向的分量;uw，vw，Ww。分別為與運動物體有關(guān)的速度源項;fx，fy，fz分別為黏性力在x，y，z方向的分量;us，vs，ws分別為與運動物體有關(guān)的相對質(zhì)量源項界面的流體速度，m/s;δ為質(zhì)量源的壓力類型，本文中δ取1，表示為靜態(tài)壓力類型的質(zhì)量源，此時根據(jù)質(zhì)量源的表面積和流量來計算流體的速度，而不需要提供額外的壓力使流體從質(zhì)量源中流出。

2.2FAVOR方法

FAVOR方法[20]是GMO模塊的核心組成部分。

它利用簡單的矩形網(wǎng)格來表示潮流能機組，特別是葉片的幾何外形、運動和位置，以及機組與黏性流體間的流固耦合。其控制方程如下：

公式

式中，Vf為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的體積百分比，%;A為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的面積百分比，%;Sm為流體質(zhì)量源項。

2.3模型驗證

目前，該模型已被成功地應(yīng)用于單樁式水平軸潮流能水輪機水動力性能的數(shù)值模擬研究[21]。本文將使用該模型，針對不同葉片變槳角度對水平軸潮流能水輪機的水動力特性的影響開展分析研究，研究結(jié)果可為潮流能水輪機葉片變槳控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的科學依據(jù)。

2.4模型建立

潮流能水輪機葉輪的初始旋轉(zhuǎn)速度為0，將初始水深設(shè)置為50m，水體的上邊界取自由表面，不考慮其表面張力，水槽兩側(cè)為光滑的固體壁面邊界，以表面粗糙度為5的固定海床為底邊界。

當使用Flow-3D熱啟動功能的時候，首先需要利用Flow-3D軟件建立一個與目標工況水深和寬度相同且足夠長的數(shù)值水槽，將通過足夠長的時間獲得邊界層充分發(fā)展的水流作為目標工況水槽中水的初始狀態(tài);然后結(jié)合“GridOverlay"邊界提供一個穩(wěn)定的進口流速條件。在本文模擬中，數(shù)值水槽長、寬和水深分別為300，100m和50m。根據(jù)具體算例，對x，y，z方向上的網(wǎng)格尺寸進行調(diào)試，網(wǎng)格整體布局原則是：在研究者關(guān)注的樁基礎(chǔ)和葉輪等重要位置進行局部加密，而在其他位置則可以適當調(diào)大尺寸?？傮w上而言，所選網(wǎng)格尺寸需要既能保證精確反映葉輪的幾何外形以及潮流能機組附近流場的分布，又要能保證計算效率網(wǎng)格不能太密。

在選擇水輪機型號的時候，本文參照了舟山潮流能示范工程的實際情況，在本文三維數(shù)值模擬中：將葉輪葉片直徑選為19m，扇葉傾角（葉片平面與葉輪旋轉(zhuǎn)軸的夾角）分別為50°，60°和70°，將葉輪密度選為2700kg/m3，采用直徑3m的圓柱為樁基礎(chǔ)。

3葉片變槳角度的影響效應(yīng)

為了研究葉片變槳角度對水輪機周邊流場和水輪機水動力響應(yīng)的影響，在三維數(shù)值模型中（如圖1和圖2所示），考慮了3種不同的葉片變槳角度（如圖1所示，葉片變槳角指扇葉與旋轉(zhuǎn)軸的夾角，圖中為70°），分別為50°，60°，70°，在3種不同的變槳角度下，水輪機安裝高度不變，均設(shè)為30m，水深均為50m。

3.1對葉輪轉(zhuǎn)速和動能的影響

如圖3所示，圖中橫縱坐標分別表示時間和葉輪轉(zhuǎn)速，在來流作用下，潮流能水輪機葉輪轉(zhuǎn)速在很短的時間內(nèi)均由靜止達到了相對平衡的狀態(tài)。在不同葉片變槳角度時，水輪機從靜止到相對平衡狀態(tài)所需時間有微小差別，變槳角度增大時，葉輪達到平衡狀態(tài)所需時間也略有增加。當變槳角度分別為50°，60°和70°時，對應(yīng)的葉輪平均轉(zhuǎn)速分別為0.96，1.18，1.51rad/s。變槳角度越大，葉輪轉(zhuǎn)速越快，相應(yīng)地從流場中獲取的平均動能也越大。

如圖4所示，圖中橫縱坐標分別表示時間和葉輪轉(zhuǎn)動的動能，當變槳角度為50°時，其平均轉(zhuǎn)動動能約為1.08x106J。而當變槳角度增大到60°時，其平均動能增大到1.66x106J，增幅為53.7%。隨著變槳角度的進一步增大，當變槳角度為70°時，其平均動能約為2.63x106J，增幅為58.4%。

模擬結(jié)果表明：葉片變槳角度對葉輪可獲取的最大能量有著顯著影響。在本文模擬的葉片變槳角度范圍內(nèi)，葉片變槳角度每增加10°，葉輪動能約增加55%。

3.2對水輪機各向受力的影響

如圖5所示，圖中橫縱坐標分別表示時間和葉輪的受力，葉片變槳角度對潮流能機組葉輪受力具有顯著影響。增加變槳角度會增加葉輪在來流方向（x軸方向）的投影面積，從而增加葉輪在來流方向（x軸方向）受到的水流作用力。由圖5可以看出，當變槳角度分別為50°，60°和70°的時候，葉輪在x方向的受力平均值分別為7.88x105，1.22x106N和2.00x106N。變槳角度從50°增加到60°時，葉輪x方向受力的平均值增加了54.8%;從60°增加到70°時，該力增加了63.9%。在y方向和z方向上，變槳角度的增加對葉輪受力影響較小。

在對葉輪進行受力分析時，從工程的實際角度考慮，表1中分析了整個模擬過程中各向最大的水流作用力。

隨著變槳角度的增大，x方向最大的水流作用力顯著增大，而y方向和z方向的最大水流作用力均減小了，可能的原因是隨著變槳角度的增加，葉輪在x方向的投影面積增大，而在y和z方向的投影面積減小了。在x方向，當變槳角度由50°逐漸增加到60°和70°時，F(xiàn)x則由9.38x106N逐漸增加到1.43x106N和2.25x106N，增幅分別為52.5%和57.3%。在y和z方向上，F(xiàn)，值總為負數(shù)，即沿y軸負方向，這是由于葉輪轉(zhuǎn)動的不對稱性而引起的。隨著變槳角度的增大，y和z方向的最大水流作用力均減小了，這是由于葉輪在y和z方向的投影面積減小了，從而導致這兩個方向的總水流作用力減小。

3.3對水輪機尾流場和自由液面的影響

本章節(jié)將針對葉片變槳角度對潮流能水輪機附近自由液面和流速分布形態(tài)的影響展開分析。

為了清晰地對比葉片變槳角度對自由水面的水位線沿程變化規(guī)律的影響，圖6給出了水輪機中心z剖面水位線變化圖，圖中橫坐標為x坐標與葉輪直徑D的比值，水輪機位于X/D等于零處;縱坐標表示水輪機放入前后水面變化的程度：相對于水位為正值時，表示水位壅高，為負時表示水位下跌。

從圖6中可以看出，對于不同的葉片變槳角度，水位線沿程變化規(guī)律總體，上是相同的，即水輪機上游（X/D為負值時）水位總是上升的，而下游（X/D為正值時）水位總是下降的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于水輪機阻礙了水流的運動，從而造成了.上游水位壅高，下游水位下跌。

同時，由圖6和表2還可以看出，葉片變槳角度對水輪機上下游水位的升降程度有著顯著的影響。

（1）當葉片變槳角度為70°時，水輪機上游0.278D處（X/D=-0.278）有最大水位升高值為0.187m，水輪機下游0.995D處（X/D=0.995）的水位達最小值-0.112m。

（2）當葉片變槳角度為60°時，水輪機上游0.235D處的最大水位升高值為0.103m，水輪機下游0.517D處的水位最小值為-0.043m。

（3）當葉片變槳角度為50°時，水輪機上游0.235D處的最大水位升高值為0.060m，水輪機下游0.493D處的水位最小值為-0.030m。

由表2可以看出，當葉片變槳角度分別從50°增加到60°和從60°增加到70°時，水輪機上游的最大水位值分別增加了71%和82%。同時，水輪機下游的最小水位值分別下降了43%和160%?？傮w而言，葉片變槳角度越大，上下游水位升高和降低的程度就越顯著，而且發(fā)生最高和最低水位值的位置距水輪機也越遠。

圖7所示為3種葉片變槳角度（50°，60°，70°）下的尾流場中沿水流方向水輪機中心線上流速的沿程分布曲線圖。圖中的橫坐標為x坐標與葉輪直徑D的比值，水輪機位于X/D等于零處，因此，在X/D等于零處流速曲線不存在?？v坐標λ表示流速時均值與來流速度的比值（無量綱值），入為正（負）時，表示流速方向與來流方向相同（相反）。

由圖7可以看出，不同的葉片變槳角度時流速沿程變化的規(guī)律類似，上游來流流向水輪機時流速迅速減小，在水流通過水輪機后，尾流場中距離水輪機下游5D范圍以內(nèi)的流速有著顯著的改變，在水輪機下游1D附近時，相對流速λ值為負，這表明水流會向與來流相反的方向流動而形成漩渦;此后，當水流逐漸遠離水輪機時，尾流場的流速逐漸恢復。

同時，通過對圖7及表3中不同葉片變槳角度時的流速沿程變化情況進行對比，還可以看出：葉片變槳角度越大，水輪機下游附近流速減小的程度越大;但是，當逐漸遠離水輪機時，流速恢復得卻越快。具體模擬分析數(shù)據(jù)如下：

（1）在水輪機下游1D處，λ分別為0.21，-0.13和-0.25（分別對應(yīng)50°，60°和70°的變槳角度）。

（2）水輪機下游2D處，λ分別為0.53，0.30和0.27（對應(yīng)的變槳角度同上），在水輪機下游2D范圍內(nèi)最大葉片變槳角度為70°時，流速減小的程度最大，流速最小。

（3）水輪機下游3D處，λ分別為0.61，0.45和0.50（對應(yīng)角度同上）。

（4）水輪機下游4D處，λ分別為0.64，0.53和0.62（對應(yīng)角度同上），在水輪機下游3D至4D范圍附近，最大葉片變槳角度70°對應(yīng)的流速大于60°，同時小于50°

（5）水輪機下游5D處，λ分別為0.67，0.60和0.73（對應(yīng)角度同上）。

（6）水輪機下游10D處，λ分別為0.77，0.82和0.88（對應(yīng)角度同上）。

（7）水輪機下游15D處，λ分別為0.86，0.92和0.92（對應(yīng)的角度同上），在水輪機下游距離大于5D處，最大葉片變槳角度70°對應(yīng)的流速最大。

4結(jié)論

本文借助于三維水動力軟件Flow-3D建立了數(shù)值模型，并運用該數(shù)值模型對于在均勻來流作用下的水平軸潮流能水輪機的水動力響應(yīng)進行了模擬分析;同時，也對葉片變槳角度對水輪機轉(zhuǎn)速和動能、水流作用力和尾流場的影響開展了研究?；跀?shù)值分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論。

（1）葉片變槳角度對葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪可獲取的最大能量有著顯著的影響。在本文模擬分析中，葉片變槳角度每增加10°，葉輪動能約增加55%。

（2）葉片變槳角度對葉輪x方向（來流方向）受力有著顯著的影響。在本文模擬分析中，葉片變槳角度每增加10°，葉輪x方向的受力平均值約增加60%，最大值約增加55%;在y和z方向，變槳角度的增加對葉輪受力的影響較小?？傮w而言，隨著變槳角度的增大，y和z方向的最大水流作用力略有減小。

（3）葉片變槳角度越大，水輪機下游附近（約2D范圍內(nèi)）的流速減小程度越大，尾流流速越小;同時，當水流逐漸遠離水輪機時（約5D以外），較大的葉片變槳角度所對應(yīng)的尾流恢復速度更快，而且尾流流速更大。

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引用本文：顧振華.水平軸潮流能水輪機葉片變槳角度研究[J].人民長江，2019，50（3）：205-210.

Study on influence of blade pitch angle on response of horizontal-axis tidal stream turbine

GU Zhenhua

（Shanghai Investigation，Design & Research Institute，Shanghai 200434，China）

Abstract：A 3D hydrodynamic model based on Flow-3D is developed in this paper for single pile horizontal-axis tidalstream turbine and the influences of the blade pitch angle on the impeller rotation rate，the impeller kinetic energy，the fluidforce，the water level and the flow velocity of the horizontal-axis tidal stream turbine are investigated by the model.Numericalanalysis results showed that：when the blade pitch angle increases，the fluid force on the impeller in the direction of the incomingflow and the impeller kinetic energy increases;the pitch angle has little effect on the impeller force perpendicular to the incomingflow direction;the larger the blade pitch angle is，the flow velocity in the downstream of the turbine declines more quickly andthe flow velocity is smaller;in far downstream of the turbine，the larger the blade pitch angle is，the faster the wake field recoversand the larger the flow velocity is.

Key words：tidal stream energy;3D numerical simulation;blade pitch angle;hydro turbine;hydrodynamic characteristic