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潮流能水轮机及载体平台受波浪条件的影响探究

2020-07-02 217 上传者：管理员

摘要：为研究波浪条件对漂浮式水平轴潮流能水轮机发电装置的载体平台与水轮机之间水动力性能的影响，应用计算流体力学（CFD）方法，利用STAR-CCM+软件的DFBI运动模块，设置多种波浪条件，计算载体平台和水平轴水轮机耦合作用，分析得出不同波浪条件对系统运动响应的影响规律。研究表明，波幅和波长对载体平台和水轮机的纵摇、纵荡、垂荡均有显著影响，且纵摇、纵荡、垂荡随波幅的增大而增大；波长1.5倍载体总长时平台纵摇幅度最大，此波长也是纵摇共振波长和同步垂荡波长。

关键词：
数值模拟
水动力性能
水能机械
波幅
波长
潮流能水轮机
运动响应
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1、引言

随着传统化石能源的消耗和环境污染问题的加剧，开发利用可再生能源成为人类社会可持续发展的必由之路。潮流能因其能量密度高、可预测性强、载荷稳定的特点逐渐成为研究的热点[1,2]，其中漂浮式潮流能水轮机以成本低、便于安装维护等优点，获得广泛应用[3]，但漂浮式潮流能水轮机长期系泊于海上，来流伴随有波浪，并且水轮机的周期性旋转与振动都会对系统的性能和稳定性造成影响。对于波浪对潮流能水轮机影响的研究，ATIPOVII等[4]利用叶素动量理论研究了波流同时作用下水轮机的水动力性能，给出了水轮机在3个特征方向上的力和力矩变化规律；黎江等[5]利用CFD方法研究了波浪对水轮机水动力性能的影响，结果表明波浪作用下水轮机的各项水动力性能参数会发生周期性变化；张继生等[6]利用试验方法研究了波流条件下水轮机尾流场的流速变化和紊动特性变化规律，得出波浪的存在有利于支撑结构后方水流速度的恢复。现有研究集中于波浪作用下单个水轮机水动力性能的影响，但在实际海况下水轮机通过支柱刚性固定在漂浮式载体平台上随载体同步运动，对于此时水轮机与载体平台的耦合影响规律尚不明确。因此，本文采用CFD方法分析了水平轴水轮机及载体平台在波浪作用下的运动响应，研究了波浪对水平轴水轮机及载体平台的纵摇、纵荡、垂荡、系泊拉力的影响，旨在为水平轴潮流能水轮机的设计和建造提供参考依据。

2、数值模拟

2.1理论基础

在衡量水平轴水轮机性能的参数中，叶尖速比λ、能量利用率CP和轴向载荷系数CZ是3个重要的参数，其定义为：

公式1

公式2

公式3

式中，R为叶轮半径，m；ω为叶轮角速度，rad/s;U为来流速度，m/s;Q为叶轮所受扭矩，N·m；ρ为水流密度；FZ为轴向载荷，N。

其中弯矩系数CM、单个叶片的能量利用率CP定义为：

公式4

公式5

式中，q为单叶片所受扭矩，N·m;M为叶片对旋转坐标系z方向的弯矩，N·m。

2.2计算模型

本文主要研究载体、水轮机和系泊系统的耦合作用，同时为了减小计算量，将载体和水轮机简化，载体形式采用驳船式，见图1。总长2m，型宽0.5m，型深0.4m，吃水0.2m。为方便研究载体平台与波长之间的关系，定义载体总长L为2m。

图1载体和水轮机模型

王树齐等[7]发现支撑立柱与水轮机旋转平面之间的距离达到1倍叶轮直径后可忽略对水轮机受力的影响，因此在计算模型中以STAR-CCM+软件中的虚拟铰链代替连接水轮机和载体的支撑立柱，虚拟铰链可以传导载体平台与水轮机之间的相互作用力，简化模型并提高计算速度。水平轴水轮机采用NRELS809翼型，叶轮直径D为0.7m，模型见图2。

图2叶轮模型

2.3有效性验证

将计算结果与哈尔滨工程大学海洋再生能源研究所做的模型试验[8]进行对比，见图3。由图3可看出，计算结果整体上略高于试验结果，在最优速比区域计算结果与试验结果吻合较好，这是因为计算中未考虑机械摩擦、自由液面和波浪等因素，导致计算结果偏高。在叶尖速比λ=3处，能量利用率的计算结果与试验结果相差较大，出现这种现象的原因是在低速比区，叶片的实际攻角较大，叶片表面发生了大规模的边界层分离，导致数值计算结果高于试验结果，而在高速比区，叶片的实际攻角较小，叶片表面流动边界层分离程度较小，数值计算结果与试验吻合较好。整体来看，计算结果和试验结果具有相同的发展趋势，除叶尖速比λ=3以外，计算结果与试验结果误差均在5%以内，从而证明所采用的数值模型在水平轴水轮机研究中具有适用性和准确性。

图3计算结果与试验结果

3、规则波对水平轴水轮机运动响应和水动力性能的影响

本文计算了叶尖速比λ为5、流速为1.5m/s的规则波，其中波幅为0.04、0.08、0.12m，波长为0.5L、1.0L、1.2L、1.5L共12种组合工况下的水轮机水动力性能和运动响应，主要研究波幅和波长的影响。由于载体平台和系泊系统的对称性，且水轮机无偏航，浪流同向，水轮机转动时在横摇方向产生的力矩远小于在纵摇方向，因此纵荡、垂荡和纵摇是载体平台和水轮机的主要运动，而其横荡、横摇和艏摇运动响应很小，可予以忽略。

3.1对纵摇运动的影响

图4为不同波浪参数下纵摇历时曲线。由图4可知，各工况下纵摇值变化均呈现明显的周期性，其周期为对应波周期的1倍，可见波周期是影响纵摇周期的决定性因素。图4(a）中波幅为0.04m时，其纵摇值均为负值，即载体一直处于艏倾状态。此时纵摇最大值和最小值均出现在1.5L波长时。图4(b）中，除了波长为1.5L、2.0L时，纵摇角在极大值附近短暂超过0，载体平台纵摇仍小于0，仍维持艏倾的状态。此时最大值出现在波长为1.5L时，对应的波长为2.0L。图4(c）显示，当波幅达到0.12m时，波长为1.5L、2.0L时，载体平台艏倾和艉倾均出现，但艏倾角度大于艉倾角度，比较4种波长下的纵摇值发现，0.5L、1.0L波长下，纵摇始终为负值，即当波长小于等于载体平台自身型长时，载体平台不会出现艉倾。波长1.5L、2.0L时，当波幅超过一定数值，纵摇峰值会超过0，但艏倾最大角度始终超过艉倾最大角度。

图4不同波浪参数下纵摇历时曲线

3.2对纵荡运动的影响

纵荡运动直接改变水轮机的瞬时来流速度，对水轮机能量利用效率和叶片所受载荷有显著影响，同时对载体结构和上面安装的各种仪器设备也有不同程度的影响。各工况类似，如0.08m波幅下的纵荡历时曲线见图5。

图50.08m波幅纵荡历时曲线

由图5可知，在规则波作用下，载体平台和水轮机的纵荡运动都是周期性运动，周期为1倍波周期。在波长为0.5L时，水轮机的纵荡幅值小于载体平台的纵荡幅值，且两者的纵荡平衡位置有较大距离。随着波长增大，两者的纵荡幅值均变大，纵荡历时曲线开始有重合，水轮机的纵荡幅值从远小于载体平台的运动幅值，逐渐增大到与载体平台的运动幅值相当，但仍小于载体纵荡幅值。两者的纵荡运动在波长较小时保持同步，无明显相位差。当波长达到1.5L时，两者的纵荡运动已出现明显的相位差，当波长达到2.0L时，相位差为0.8π左右，两者的纵荡运动已明显不同步。

3.3对垂荡运动的影响

3种波幅下载体平台和水轮机的垂荡运动规律相似，且水轮机和载体平台的垂荡保持高度一致，仍以波幅0.08m时4种波长垂荡历时曲线为例进行讨论，结果见图6。

图60.08m波幅垂荡历时曲线

由图6可知，垂荡在较小波长时，有明显的低频慢漂现象，随着波长增大，慢漂现象逐渐不明显。在波长0.5L时，虽然水轮机垂荡曲线变化趋势与载体平台相同，但数值仍有明显差异。波长增大到L时，除了波峰和波谷处有差异，其他位置几乎完全相同。在波长2.0L时，两条曲线已完全重合，载体平台和水轮机完全同步运动。

4、结论

波幅和波长对载体平台和水轮机的纵摇、纵荡、垂荡均有显著影响，其中纵摇随波浪周期变化呈明显的周期变化，且波幅越大其值也越大，共振波长为1.5L；载体平台的纵荡幅值在波长1.5L时达到最大值，水轮机的纵荡幅值随波长单调增大；垂荡幅值随波长增大而增大，波长大于1.5L时载体平台和水轮机几乎同步运动。

参考文献：

[1]张亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展,2013,1(1):55-68.

[2]付士凤,李龙,邓力,等.基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟[J].水电能源科学,2014,32(7):140-143,119.

[3]马勇,张亮,盛其虎,等.漂浮式潮流能发电装置水动力特性试验研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2012,40(10):123-127.

[5]黎江,王树杰,司先才,等.线性波作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能的数值模拟[J].可再生能源,2017,35(11):1732-1738.

[6]张继生,张婧,王日升,等.波流共同作用下水平轴潮流能水轮机水动力特性[J].河海大学学报(自然科学版),2019,47(2):175-182.