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海流发电水轮机水动力性能受海底边界效的影响研究
摘要：对30W海流能水平轴水轮机进行叶片设计,应用FLUENT软件对水轮机的水动力性能进行数值模拟,研究了边界效应对叶片表面压力、流场、湍流强度、获能和轴向力的影响。受海底边界效应影响,海流速度沿深度呈现梯度变化,底层流速较小,中上层流速较大。边界效应导致水轮机的水动力性能呈现周期性变化,降低了水轮机的获能和轴向力。机组布置时,宜选择水流稳定且流速较大的中上层区域。
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寻求和发展可再生清洁能源是当前不可逆转的新趋势,世界各国都在积极开发新型可再生能源[1]。海洋海流能由于储量丰富、载荷稳定、可预测性强等优点而备受青睐,是近年来发展较快的海洋能能种之一[2]。海流发电水轮机是一种利用海流能来获取能量的旋转机械,通过叶片的升力效应推动水轮机旋转做功,带动发电机发电,将海流能转化为电能,提供清洁能源。
近年来,随着计算流体力学的发展和计算机软硬件水平的提高,众多科研机构应用CFD方法对水轮机的水动力性能进行了深入研究。英国Southampton大学应用CFD和模型试验相结合的方法,对水轮机的性能进行了总结研究[3];英国Exeter大学对水轮机建立解析模型和CFD模型,对其进行对比研究[4];国内哈尔滨工程大学[5]、中国海洋大学[6]和浙江海洋学院[7]等研究机构应用CFD方法对垂直轴、水平轴水轮机性能进行了相关研究。
受海底边界效应的影响,海流速度沿水深呈现梯度变化,距离海底越近,流速越小[8]。英国Southampton大学使用理论方法,对受边界效应影响下水轮机获能进行预测[9]。水轮机运行在梯度流中,其水动力性能将产生一系列变化,目前对此方面的研究较少。本文以30W海流发电水轮机为例,应用CFD方法研究边界效应对水轮机水动力特性的影响。
1、水轮机设计
1.1叶片设计主要参数
水轮机叶片设计的主要参数为:水轮机额定功率P=30W,设计流速V=1.11m/s,设计获能系数CP=0.35。
1.2翼型和尖速比
翼型的选择对水轮机的水动力性能具有至关重要的作用,英国University of Southampton对海流发电水轮机进行了多次试验研究,试验水槽长和宽分别为2m和0.5m,水深0.5m,水流流速4m/s,试验结果表明NACA63-8XX系列翼型的获能系数较高[10]。本文试验水槽长10m,宽1m,水深1.2m,水流流速可达3m/s,水槽结构相似,采用NACA63-8XX系列翼型。
本文叶片数目为3,根据水轮机叶片数与尖速比的匹配关系[11],确定设计尖速比为3。
1.3叶片结构参数
利用简化风车理论,参考文献[12]的设计思路,确定叶片各截面的弦长和安装角如表1所示。
表1叶片结构参数1.4水轮机参数
根据设计流速与额定功率,确定水轮机参数如表2所示。
表2水轮机参数
1.5三维模型图
应用Solidworks软件建立叶片模型和水轮机模型,如图1所示。
图1叶片模型和水轮机模型
2、水轮机数值模型建立
2.1控制方程
假设流体是不可压的,流场的连续方程和动量方程为:
连续方程:
公式1
动量方程:
公式2
式中:ui、uj为速度分量(m/s),xi、xj为位置坐标分量,P为流体压力(Pa),μ为流体动力粘性系数。
采用SSTk-ω湍流模型[13]。该模型是由Menter发展而来,相较于其它湍流模型具有较多优势,文献[13]给出了SSTk-ω湍流模型中湍流动能k和比耗散率ω的输运方程及各参数的值。
2.2模型建立和网格划分
运用Gambit软件建立水轮机网格模型,将计算域分为流体域和旋转域,应用滑移网格技术对计算域进行网格划分,将旋转域的外表面设置为滑移网格交界面。为了保证计算精度且提高运算效率,本文采用四面体非结构网格,对旋转域网格进行加密处理,网格总数为1031623,计算域网格如图2所示。
图2计算域网格
2.3设置求解器和边界条件
采用分离式求解器隐式算法,动量、湍流动能均采用二阶迎风格式离散,压力-速度耦合使用SIMPLE算法,对水轮机叶片的转矩和轴向力进行监测。入口边界条件设置为速度入口(velocityinlet),出口边界条件设置为自由流出口,滑移边界设置为接触面,上表面设置为自由表面,其余边界设置为固壁。
3、速度梯度
3.1试验模型
在循环水槽中进行模型试验,试验设备包括水轮机模型、DASP数据采集系统、Vectrino流速仪、发电机、可变电阻、循环水泵等,发电机功率50W,额定转速267r/min,负载大小可调,试验模型如图3所示。
图3水轮机试验模型
3.2数值模拟
数值模拟水槽长5m,宽1m,水深1.2m,编写用户自定义函数UDF,对不同水深水流速度进行定义(包括上表面),将其作为入口速度,模拟流速1m/s时入口截面速度分布,如图4所示。
3.3水轮机位置
水轮机3枚叶片具有对称性,将水轮机布置在水深0.3m位置,不同时刻水轮机位置如图5所示。
图4入口截面速度分布
图5不同时刻叶片位置
3.4流速验证
调节循环水泵得到水流流速,将流速仪置于水轮机前方2m位置,改变流速仪入水深度测量此水流流速下纵向水深流速;将流速仪置于水轮机后方不同位置测量尾流流速,入水深度0.3m。调节循环水泵得到不同水流流速,重复进行流速测量,对比纵向水深流速和尾流流速,结果如图6所示。
由图6可知,入口流速相同时,数值模拟与模型试验测得的水流流速变化趋势一致,水轮机前方突降,水轮机之后随着距离增大而增大;数值方面,试验值和模拟值相差不大,验证数值模拟方法的可行性。
图6流速对比
4、计算结果及分析
4.1叶片表面压力分布
当水流流速1m/s时,对比不同时刻叶片表面压力分布,如图7所示。
由图7可知,水轮机旋转时,不同时刻叶片表面压力发生变化,最大压力出现在T时刻,位于叶片前缘,最大压强值为3405Pa,最大负压强为-4336Pa。叶片表面压力周期性的变化会缩短叶片的使用寿命。
图7叶片表面压力分布
4.2叶轮中心截面速度分布
当水流流速为1m/s时,对比不同时刻叶轮中心截面速度分布,如图8所示。
图8叶轮中心截面速度分布
由图8可知,在梯度流环境下,叶轮中心截面速度出现周期性变化,最大速度出现在T/2时刻,位于轮毂左下方叶片扫掠面的前方,最大速度值为2.36m/s,叶轮中心截面速度周期性变化会导致水轮机输出功率不稳定,影响水轮机的获能。
4.3湍流强度
当水流流速1m/s时,对比不同时刻叶轮纵剖面湍流强度分布,如图9所示。
图9纵剖面湍流动能分布
由图9可知,在梯度流环境下,叶轮纵剖面湍流强度不恒定,最大湍流强度出现在T/2时刻,湍流强度周期性变化会导致下游水流流态不稳定,对下游机组获能带来不利影响。
4.4水轮机叶片获能特性
4.4.1水轮机获能
当水流流速为1m/s时,将水轮机置于水深0.3m位置,研究边界效应对水轮机获能的影响,如图10所示。
由图10可知,边界效应对水轮机获能影响较大,考虑边界效应时,水轮机获能功率不恒定,获能数值低于不考虑边界效应时获能,此计算工况损失的能量约为总获能的15%。
4.4.2尖速比影响
当水流流速为1m/s时,改变不同尖速比,研究水轮机获能系数,如图11所示。
图10水轮机获能曲线
图11水轮机获能系数对比
由图11可知,随着尖速比增大,获能系数呈现先增大后减小的趋势,最佳尖速比为3.5,边界效应没有改变获能系数的变化趋势,只是降低了获能系数值。
4.4.3深度影响
当水流流速为1m/s时,将机组布置在不同水深位置,研究水深与获能系数的关系,如图12所示。
由图12可知,中上层水域流速较大且相对稳定,此处水轮机获能系数较高,当水轮机置于水深0.3m位置时,最大获能系数为35.2%,满足设计要求;下层水域流速小且变化幅度大,此处水轮机获能系数较低。水轮机组宜布置在流速较大且流态稳定的中上层水域。
4.5水轮机轴向力
水轮机轴向力与机组的支撑结构有密切的联系,轴向力越大,越需要支撑结构提供更大的支持力来固定水轮机。当水流流速为1m/s、叶尖速比为3.5时,不同时刻水轮机轴向力曲线如图13所示。
图12获能系数对比
图13水轮机轴向力曲线
由图13可知,考虑边界效应时,轴向力呈现周期性变化,边界效应降低了水轮机的轴向力,此计算工况轴向受力降低了10%。
5、结语
本文应用CFD方法,研究了边界效应对海流发电水轮机水动力性能的影响,得到如下结论:
1)水流速度沿水深呈现梯度变化,中上层较大,底部较小。水轮机旋转时,叶片表面压力、中心截面速度、湍流动能都呈现周期性变化。
2)边界效应使水轮机获能和轴向力呈现周期性变化,机组获能系数和获能功率有所降低。
3)为了使水轮机获得较大、平稳的输出功率,应合理布置水轮机的位置,尽量避开海底水流不稳定的低速区,选择水流稳定且流速较大的中上层区域。
参考文献：
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[6]王树杰,徐世强,袁鹏,等.轴流式潮流能发电装置导流罩水动力特性研究[J].太阳能学报,2014,35(6):1098-1104.
[7]陈正寿,刘羽,赵陈,等.水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟[J].水力发电学报,2015,34(10):130-137.
[8]汪亚平,高抒,贾建军.海底边界层水流结构及底移质搬运研究进展[J].海洋地质与第四纪地质,2000,20(3):101-106.
[11]熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计､运行､维护及标准规范实用手册[M].北京.
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盛传明,练继建,林大明,徐宝,黄宣旭.海底边界效应对海流发电水轮机水动力性能影响研究[J].海洋工程,2017,35(02):75-82.
基金:江苏省科技支撑计划-工业部分资助项目(BE2014091);与防波堤结合的新型波浪能发电及利用关键技术资助项目
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