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      整流柵對Savonius 水力透平功率特性的影響

      2023-09-22 01:07:14王曉暉白小榜苗森春楊軍虎
      中國農(nóng)村水利水電 2023年9期
      關(guān)鍵詞:速比葉尖尾流

      王曉暉,劉 強(qiáng),白小榜,苗森春,2,楊軍虎,2

      (1. 蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2. 甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室,甘肅 蘭州 730050;3. 新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司博士后科研工作站,河南 新鄉(xiāng) 453000; 4. 重慶水泵廠有限責(zé)任公司,重慶 400000)

      0 引 言

      Savonius 水力透平是一種新興的管道余壓回收裝置[1,2],近年來,在城市給排水、潮流能發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉和海水淡化等領(lǐng)域[3]得到成功應(yīng)用,有較好的節(jié)能效益。Savonius 水力透平是通過來流沖擊葉片產(chǎn)生扭矩而做功[4],由于其旋轉(zhuǎn)效應(yīng)尾流與來流不可避免發(fā)生碰撞,形成大尺度旋渦影響轉(zhuǎn)輪做功能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。

      為解決以上問題,國內(nèi)外學(xué)者通過對Savonius型轉(zhuǎn)輪(簡稱S 轉(zhuǎn)輪)葉型優(yōu)化,配置導(dǎo)流裝置等方法開展了相關(guān)研究。ZHANG 等[5]利用粒子群優(yōu)化算法,對S 轉(zhuǎn)輪葉片形狀進(jìn)行優(yōu)化,在葉尖速比為1.0時,功率系數(shù)提高了6%??镩_林等[6]對比了葉片曲率半徑分別為R14、R22 和R30 的3 種S 轉(zhuǎn)輪的功率特性,研究發(fā)現(xiàn):葉片曲率半徑為R14 時,S 轉(zhuǎn)輪能量回收效率最高。為了提高Savonius 水力透平的水力性能,在S 轉(zhuǎn)輪前后增設(shè)導(dǎo)流裝置有顯著效果。JOAO等[7]利用直線型前置導(dǎo)流板,使S轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)提高了24%。YAO等[8]通過增加整流罩,使S轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)提高了33%。郭奮等[9]在S 轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上加裝后置導(dǎo)流板,在來流的作用下使得該后置導(dǎo)流板可自動調(diào)整工作位置。

      鑒于此,本文采用數(shù)值模擬的方法,研究3種不同結(jié)構(gòu)整流柵及其與S 轉(zhuǎn)輪的相對位置對Savonius 水力透平水動力學(xué)性能的影響。

      1 物理模型

      本研究以DN50 Savonius水力透平為對象,轉(zhuǎn)輪前設(shè)置導(dǎo)流裝置,轉(zhuǎn)輪后設(shè)置整流柵,整流柵采用葉片數(shù)分別為4、6、8 的3種型式,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同,其中邊壁厚度為3 mm,葉片厚度為2 mm,軸向長度為10 mm,Savonius 水力透平工作原理及3 種不同整流柵結(jié)構(gòu),見圖1。

      圖1 Savonius水力透平工作原理及整流柵結(jié)構(gòu)Fig.1 Savonius hydraulic turbine working principle and rectifier grid structure

      S 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu),見圖2,其主要幾何參數(shù)有:轉(zhuǎn)輪直徑D1,管道直徑D2,葉片厚度tb,輪轂直徑D3,轉(zhuǎn)輪高度h,轉(zhuǎn)輪與管道間的間隙ε。S轉(zhuǎn)輪軸向任一軸垂截面上葉片形狀為半圓形,其半徑rx,使用公式如下:

      圖2 S轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)Fig.2 S wheel geometry parameters

      式中:hx為軸垂截面的高度。

      為了使轉(zhuǎn)輪能夠充分利用來流能量,提高其回收效率,在轉(zhuǎn)輪前設(shè)置前置導(dǎo)流板具有顯著效果[10,11],前置導(dǎo)流板結(jié)構(gòu),見圖3。

      圖3 前置導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 Parameters of deflector plate structural

      其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:傾角α1,長度L0,導(dǎo)流板過中心距離X1。S轉(zhuǎn)輪和前置導(dǎo)流板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),見表1。

      表1 S轉(zhuǎn)輪和前置導(dǎo)流板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 S Main structural parameters of the rotary wheel and the deflector

      在Savonius 水力透平尾流場中,距離轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)中心為L處設(shè)置兩種不同結(jié)構(gòu)的整流柵,其設(shè)置示意圖,見圖4。

      2 數(shù)值模擬

      2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

      整體計算域被分為帶有S轉(zhuǎn)輪的球形區(qū)域,進(jìn)口段部分、前置導(dǎo)流板、整流柵和出口段部分,見圖5(a)。采用滑移網(wǎng)格技術(shù),將整體計算域劃分為旋轉(zhuǎn)域與靜止域,旋轉(zhuǎn)域為轉(zhuǎn)輪水體域,其他區(qū)域均為靜止域,旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)的滑移交界面。利用ICEM-CFD 進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,并采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格類型劃分計算域,網(wǎng)格結(jié)構(gòu),見圖5(b)。

      圖5 計算域和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.5 Calculation domain and grid structure

      2.2 邊界條件設(shè)置

      利用ANSYS CFX 對計算域進(jìn)行非定常計算,計算域進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口,出口為速度出口。選擇適用于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的RNGk-ε湍流模型進(jìn)行計算,控制方程,求解方法選用SIMPLE算法,為了保證計算結(jié)果的精度,動量方程、湍動能k方程和耗散率ε方程均選擇二階迎風(fēng)格式。計算域的壁面采用無滑移邊界條件,動靜交界面設(shè)為動靜耦合面,殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5。

      2.3 數(shù)值模擬驗證

      為了選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量,對Savonius 水力透平進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,由圖6 可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為5.99×105時,壓差逐漸趨于穩(wěn)定,且維持11.286 kPa 附近。因此,選用網(wǎng)格數(shù)量為5.99×105的模型進(jìn)行計算,可滿足計算精度的要求。

      圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.6 Mesh independence verification

      為了驗證數(shù)值模擬方法的可靠性,將本文無整流柵Savonius 水力透平模擬值與文獻(xiàn)[6]中S 轉(zhuǎn)輪高徑比為R14 的DN50Savonius 水力透平試驗值進(jìn)行對比,且試驗臺見圖7,且圖7中導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)與本文研究模型的前置導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。模擬值與文獻(xiàn)[6]試驗值對比,見圖8,可知模擬值與文獻(xiàn)[6]中的試驗值基本吻合,說明本文所采用的數(shù)值模擬方法合理。

      圖8 模擬值與試驗值對比Fig.8 Simulation values compared with test values

      2.4 計算結(jié)果無量綱化處理

      為了方便對計算結(jié)果進(jìn)行分析,消除模型尺寸和介質(zhì)密度對計算結(jié)果的影響,用扭矩系數(shù)Cm、功率系數(shù)Cp和葉尖速比r等參數(shù)來表示Savonius水力透平的性能指標(biāo),使用公式如下:

      式中:Cm為扭矩系數(shù);M為轉(zhuǎn)輪的凈扭矩,N ?m;ρ為水密度,kg/m3;D為轉(zhuǎn)輪直徑,m;H為轉(zhuǎn)輪高度,m;V0為來流速度,m/s;Cp為功率系數(shù);P為轉(zhuǎn)輪功率,W;r為葉尖速比;ω為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 扭矩系數(shù)和功率系數(shù)

      通過改變整流柵到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)中心的距離L,對比3 種不同結(jié)構(gòu)整流柵對S轉(zhuǎn)輪扭矩系數(shù)和功率系數(shù)的影響規(guī)律。由于轉(zhuǎn)輪半徑為22 mm,整流柵軸向長度為10 mm,且當(dāng)整流柵設(shè)置的距離L過大時,對轉(zhuǎn)輪功率特性影響較小。因此,本研究針對葉片數(shù)Z分別為4、6、8的3種整流柵,對比了整流柵到S轉(zhuǎn)輪中心距離L分別為40、60 和80 共6 種方案。每個方案按“Z-L”的規(guī)律進(jìn)行編號,見表2。

      表2 不同數(shù)值計算方案編號Tab.2 Scheme numbers are calculated for different values

      圖9 為不同方案扭矩系數(shù)Cm隨葉尖速比r的變化。由圖9可見,在10 種方案中,隨著S 轉(zhuǎn)輪葉尖速比增大,轉(zhuǎn)輪扭矩系數(shù)逐漸下降。由圖9(a)可見,當(dāng)葉片數(shù)為4 的整流柵設(shè)置在尾流場中不同位置時,Savonius 水力透平的扭矩系數(shù)均大于無整流柵扭矩系數(shù)。且在葉片數(shù)為4 的整流柵3 種不同設(shè)置方案中,方案“4-60”的扭矩系數(shù)均大于其他兩種方案。由圖9(b)和(c)可見,當(dāng)葉片數(shù)為6 和8 的整流柵設(shè)置尾流場中在不同位置處時,各方案S轉(zhuǎn)輪的扭矩系數(shù)差異較小。

      圖9 扭矩系數(shù)Cm隨葉尖速比r變化Fig.9 The torque coefficient Cm varies with the leaf tip speed ratio r

      圖10 為不同方案功率系數(shù)Cp隨葉尖速比r的變化。由圖10可見,10種方案中,隨著轉(zhuǎn)輪葉尖速比增大,其功率系數(shù)均為先增加后減小。葉片數(shù)為4、6、8 的整流柵設(shè)置在L=60 mm 時,在任一葉尖速比下的功率系數(shù)均大于其余方案功率系數(shù)。從圖10 中還發(fā)現(xiàn),葉尖速比為0.18~0.61 范圍內(nèi),設(shè)置整流柵對轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)影響較小。而在葉尖速比為0.61~1.28范圍內(nèi),設(shè)置整流柵對轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)影響則較大,最高可達(dá)到2%左右。

      圖10 功率系數(shù)Cp隨葉尖速比r變化Fig.10 The power factor Cp varies with the leaf tip velocity ratio r

      10種方案中轉(zhuǎn)輪的最大扭矩系數(shù)和最大功率系數(shù),見表3。由表3可知,無整流柵、4葉片整流柵、和6葉片整流柵、8葉片整流柵的最大扭矩系數(shù)分別為0.265、0.273、0.271、0.269,最大功率系數(shù)分別為0.178、0.194、0.189、0.184,可知在尾流場中設(shè)置4葉片的整流柵優(yōu)于無整流柵及設(shè)置6 葉片和8 葉片的整流柵。且4葉片整流柵的3種不同方案中,方案“4-60”性能最優(yōu)。

      表3 不同方案轉(zhuǎn)輪的最大扭矩系數(shù)和最大功率系數(shù)Tab.3 Maximum torque coefficient and maximum power coefficient of different schemes of rotors

      3.2 內(nèi)流場

      由圖10 可知,當(dāng)葉尖速比r為0.91 時,采用“4-60”整流柵的Savonius 轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)最高,比無整流柵時高出約2.3%。因此,對r=0.91 時不設(shè)置整流柵和設(shè)置“4-60”整流柵的速度矢量場、渦量云圖和速度云圖進(jìn)行分析。

      當(dāng)葉尖速比r=0.91 時的速度矢量場如圖11 所示,由圖11(a)可見:在Savonius 水力透平尾流場中存在著許多大尺度旋渦,區(qū)域1 和2 最為明顯,形成這些大尺度旋渦的主要原因是:由于轉(zhuǎn)輪的“卷帶”作用,葉片間的部分流體形成環(huán)量,在無整流柵消除環(huán)量的情況下,該部分流體易與來流相撞,在尾流場形成大尺度旋渦。且從這些大尺度旋渦內(nèi)流體的運(yùn)動方向可看出,旋渦總是阻止前方來流進(jìn)入尾流場的后方流場中,這將大大惡化尾流場中的速度分布。大尺度旋渦易引起葉片背面產(chǎn)生的負(fù)扭矩增加,從而導(dǎo)致S轉(zhuǎn)輪功率降低。

      為了提高S 轉(zhuǎn)輪的功率特性,在尾流場中設(shè)置“4-60”整流柵,葉尖速比r=0.91 時的速度矢量場如圖11(b)所示。與無整流柵的圖11(a)相比,設(shè)置整流柵后,區(qū)域1 中大尺度旋渦得到有效控制,區(qū)域2內(nèi)雖然仍存在旋渦,但旋渦尺度較無整流柵時有著明顯的減小。由圖還可發(fā)現(xiàn),區(qū)域1 和2 內(nèi)大部分流體運(yùn)動方向發(fā)生改變,從之前與流體主流方向相反,改變?yōu)榕c流體主流方向同向運(yùn)動,這樣就可減少作用于葉片背面的負(fù)扭矩,從而使得S轉(zhuǎn)輪功率特性改善。

      葉尖速比r=0.91 時不設(shè)置整流柵和設(shè)置“4-60”整流柵的渦量云圖與速度云圖如圖12 所示,相對于無整流柵,設(shè)置“4-60”整流柵后,S 轉(zhuǎn)輪尾部渦量明顯減小,這樣就可使得葉片背面產(chǎn)生的負(fù)扭矩降低,從而提高其功率特性。且S 轉(zhuǎn)輪尾部流體速度分布較為均勻,一方面減少了二次流引發(fā)的流動損失,另一方面能有效降低尾流場中的壓力脈動。

      圖12 葉尖速比r=0.91時渦量云圖與速度云圖Fig.12 Eddy cloud diagram and velocity cloud diagram at leaf tip velocity ratio r=0.91

      4 結(jié) 論

      (1)無整流柵、4 葉片整流柵、6 葉片整流柵和8 葉片整流柵的最大扭矩系數(shù)分別為0.265、0.273、0.271 和0.269,最大功率系數(shù)分別為0.178、0.194、0.189 和0.184,對比后可知在尾流場中設(shè)置4葉片的整流柵優(yōu)于無整流柵及6葉片和8葉片整流柵。且對比4 葉片整流柵的三種不同方案后發(fā)現(xiàn):方案“4-60”的性能最優(yōu)。

      (2)當(dāng)尾流場中設(shè)置整流柵后,尾流場中大尺度旋渦較無整流柵時明顯減小,尾部渦量明顯降低,作用于葉片背面的旋渦和回流顯著改善。

      (3)隨著S 轉(zhuǎn)輪葉尖速比增大,轉(zhuǎn)輪扭矩系數(shù)逐漸下降、功率系數(shù)先增加后減小,且在葉尖速比為0.91 左右時,整流柵對轉(zhuǎn)輪功率系數(shù)影響最大。

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