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水平轴潮流能水轮机的耦合运动水动力研究

2020-07-03 230 上传者：管理员

摘要：漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.

关键词：
水动力载荷
水平轴水轮机
水能机械
漂浮式载体
潮流能
耦合运动
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随着世界范围内经济的发展,人类对能源的需求量逐年增长,因此越来越多的国家开始关注清洁的可再生能源.其中潮流能[1]没有明显的丰枯年以及季节的大幅度能量变化,具有可持续、能量密度大、可预测、同时不占有陆地面积等优势,从而越来越受到人们的青睐.潮流能水轮机[2]按照转轴和水流方向的关系可以分为垂直轴水轮机和水平轴水轮机,水平轴水轮机因其在工作流场中载荷变化不剧烈、功率输出较稳定、流动干扰较小等优点,备受广大学者的关注.在水平轴水轮机[3,4,5,6]水动力性能研究中,水轮机绕固定轴做旋转运动时的性能仍然是关注的重点.而在实际漂浮式[7]潮流电站中,漂浮式载体由于波浪的影响会产生摇荡运动,且一般摇荡运动是多自由度的耦合运动,进而导致水轮机跟随漂浮式载体一起运动.

国内外学者针对水平轴潮流能水轮机进行了大量的研究,但对浪、流相互作用下水轮机的研究较少.Barltrop等[8]研究了浪对潮流能水轮机性能的影响.在拖曳水池中对3叶片水平轴水轮机进行测试,测得水轮机一个规则波范围内转矩与阻力的平均值.研究结果表明测得的各个参数平均值与无波情况下无差别,但是阻力与转矩瞬时值变化明显.Gallway等[9]也在水池中对3叶片水平轴水轮机进行了相似的模型试验.与Barltrop等研究结果类似:阻力瞬时变化量约37%,转矩变化量约35%,这意味着水轮机叶片上的变化载荷将明显加速水轮机的疲劳.Luznik等[10]考虑表面重力波的影响,在美国海军学院拖曳水池中对3叶片水轮机进行有波与无波时性能试验研究.研究结果表明,在表面重力波的作用下,水轮机平均性能变化不大,但是水轮机轴向载荷及功率的瞬时值发生周期性变化,变化频率与表面波频率一致.上述试验中的波浪一般都是表面波,对水轮机性能的影响与叶尖浸没水深有很大关系;另外水轮机一般通过支撑机构固定在拖车或水槽上,不发生运动.但是,对于漂浮式潮流电站,水轮机会随漂浮式载体一起运动,水轮机的水动力特性受到波浪和水轮机运动的影响.为了使漂浮式潮流电站安全可靠地运行,研究水轮机在波浪条件下发生摇荡运动时的水动力特性显得尤为必要.

文献[11]中对水平轴水轮机在主轴旋转的同时还发生纵摇运动的水动力载荷进行了计算研究,得出了纵摇频率和纵摇幅值对水动力载荷的影响规律.本文在文献[11]的基础上,基于计算流体动力学(CFD)软件,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水平轴水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的水动力载荷进行分析,研究横摇和纵摇同频耦合运动及不同频耦合运动对水轮机水动力性能及载荷的影响规律,为进一步针对漂浮式载体的波浪运动响应、水轮机的结构设计及电能控制等方面的研究提供相关数据.

1、CFD数值模拟

1.1建立计算域

计算模型采用的叶片是由哈尔滨工程大学海洋可再生能源研究所研发,除叶片根部外,展向各位置处的截面翼型为S809.水轮机直径D为0.7m,叶片数为2,轮毂直径为0.1D,两端为半球形.为了充分模拟水平轴水轮机流场特性,需建立足够大的计算域,如图1所示.整个计算域是一个底边为正方形的长方体,正方形边长为10D,长方体长为20D,水轮机旋转平面距入口边界5D.在数值模拟时,不仅需要模拟水轮机的旋转运动,同时还得模拟纵摇(θp=Apsin(ωpt),Ap为纵摇幅值,ωp为纵摇角速度)和横摇(θr=Arsin(ωrt),Ar为横摇幅值,ωr为横摇角速度)耦合运动.为了避免计算过程中网格质量的降低,将整个计算域分为静止域、旋转域和圆球域3个区域,旋转域为圆柱体,且在圆球域的内部,水轮机旋转轴距横摇中心及纵摇中心均为0.4m.

图1计算域示意图Fig.1Schematicofcomputationaldomain

1.2划分网格

网格化分是数值模拟技术的一个非常重要的组成部分,也是比较耗时的一个环节,网格质量的好坏直接影响到数值计算的精度和效率.网格模型如图2所示,整个计算域的网格划分采用结构网格和非结构网格结合的方式,水轮机旋转域由于叶片外形复杂,采用非结构化网格形式,圆球域和静止域采用结构化网格形式.根据文献[12]中对网格尺寸的研究,水轮机表面网格第1层高度为0.05cm,网格总数为237万个.

图2网格模型

1.3边界条件设置

由于水轮机在旋转运动的同时还发生纵摇运动及横摇运动,且纵摇运动与横摇运动都是绕定轴的旋转运动,所以网格运动采用滑移网格形式,网格在计算过程中不发生变形,保持了网格的初始质量.水轮机运动的具体设置方式为:圆球域和旋转域一起给定纵摇运动,即网格整体绕纵摇中心转动;旋转域在发生纵摇运动的同时,又给定旋转运动和横摇运动,即网格整体发生绕旋转主轴的旋转和绕横摇中心的转动;圆球域在发生纵摇运动的同时,又给定横摇运动,即网格整体绕横摇中心发生转动;静止域网格静止不动.因此,在整个计算过程中,网格质量保持不变.

CFD数值模拟的基本设置如下:设定大气压为参考气压;将入口边界设为速度入口,给定均匀来流速度U(1.5m/s)和湍流参数;出口边界采用压力出口,出口相对压力设为0;计算域的侧面设定为自由滑动墙面;水轮机表面为无滑移壁面;旋转域和圆球域给定纵摇角速度随时间的变化规律(纵摇运动),旋转轴为x轴;旋转域以子域的形式又给定网格位置随时间的变化规律(旋转运动和横摇运动);圆球域也以子域的形式给定网格位置随时间的变化规律(横摇运动);旋转域与圆球域以及圆球域与静止域之间通过交界面连接.计算进程中湍流模型采用SST模型,求解器为瞬态求解器,每个时间步水轮机旋转3°.

2、水轮机载荷分析

由于网格模型分块较多,为了验证此网格模型模拟水平轴水轮机的有效性,在同样的网格模型下,对水平轴水轮机在均匀来流中仅做旋转运动的情况进行模拟,即仅旋转域绕固定轴发生定速旋转.为了后续数据分析方便,现将能量利用率(CP)、轴向载荷系数(CZ)、横摇力矩系数(Ctr)、纵摇力矩系数(Ctp)和速比(λ)的表达式分别表示如下:

公式1

公式2

公式3

公式4

公式5

式中:MZ为水轮机绕旋转轴的力矩;ρ为流体密度;FZ为水轮机旋转轴方向载荷;ω为水轮机旋转角速度;Mr为水轮机绕横摇轴的力矩;Mp为水轮机绕纵摇轴的力矩;R为水轮机半径;n为水轮机转速.

将能量利用率及轴向载荷系数计算值与实验值进行对比,结果如图3所示.图中,实验值是在哈尔滨工程大学船舶拖曳水池中经过测试获得的.从图中可以看出,计算值与实验值吻合得很好,验证了此网格模型模拟水平轴水轮机的准确性.下面对横摇和纵摇耦合运动进行分析.

图3计算值与实验值对比曲线

2.1同频耦合运动

为了研究水平轴水轮机旋转主轴同时发生同频横摇和纵摇耦合运动时的水动力性能,设置水轮机转速230r/min,横摇和纵摇幅值均为15°.考虑到常用波浪频率,选取3种不同角速度(0.4,1.2和2rad/s)进行计算.轴向载荷系数、能量利用率、横摇力矩系数及纵摇力矩系数计算结果如图4所示.图中:ωp=ωr=2,1.2,0.4rad/s分别为水轮机主轴同时发生横摇和纵摇耦合运动时的计算结果;ωp=2,1.2,0.4rad/s表示水轮机主轴发生纵摇运动时的计算结果;ωr=2,1.2,0.4rad/s分别为水轮机主轴发生横摇运动时的计算结果.

由图4可以看出,轴向载荷系数、能量利用率、横摇力矩系数及纵摇力矩系数随时间发生波动,波动幅值随纵摇(横摇)角速度的增加而增加.就轴向载荷系数及能量利用率而言,水轮机旋转主轴同时发生横摇及纵摇运动的计算结果与主轴只发生纵摇运动的计算结果基本相同,只在角速度为0.4rad/s时略有差别,因此横摇运动的影响几乎可以忽略;就横摇力矩系数而言,同时发生横摇及纵摇运动时的计算值的波动幅值明显大于只发生横摇运动时的波动幅值,且波动规律发生变化,存在180°相位差,说明纵摇运动对横摇运动计算结果的影响非常明显;就纵摇力矩系数而言,当运动角速度为2rad/s时,同时发生横摇及纵摇运动时的计算值与只发生纵摇运动时的计算值基本相等,但当运动角速度为1.2和0.4rad/s时,计算结果存在差异,且角速度越低,差异越明显,即横摇运动对纵摇运动计算结果略有影响.总而言之,在主轴同时发生同频横摇及纵摇运动过程中,水动力载荷的变化规律主要是由纵摇运动引起的.这是因为纵摇运动改变垂直叶轮旋转平面方向的速度大小,横摇改变的是叶轮旋转平面内的速度大小,从而导致纵摇运动对水动力载荷影响明显.

图4相同角速度时计算结果

2.2不同频耦合运动

为了研究水平轴水轮机旋转主轴同时发生不同频横摇及纵摇运动时的水动力性能,设定水轮机转速230r/min,横摇及纵摇幅值均为15°.选取2种角速度组合(ωr=0.4rad/s,ωp=2rad/s;ωr=1.2rad/s,ωp=0.4rad/s)进行计算.轴向载荷系数、能量利用率、横摇力矩系数及纵摇力矩系数计算结果如图5所示.图中:ωp=0.4rad/s,ωr=2rad/s和ωp=2rad/s,ωr=0.4rad/s分别为水轮机主轴同时发生横摇及纵摇运动时的计算结果;ωp=2rad/s和ωp=0.4rad/s分别为水轮机主轴发生纵摇运动时的计算结果;ωr=2rad/s和ωr=0.4rad/s分别表示水轮机主轴发生横摇运动时的计算结果.

由图5可以看出,就轴向载荷系数及能量利用率而言,水轮机旋转主轴同时发生横摇及纵摇运动的计算结果与主轴只发生纵摇运动的计算结果基本相同,因此横摇运动的影响几乎可以忽略;就横摇力矩系数而言,当纵摇角速度较大(2rad/s)横摇角速度较小(0.4rad/s)时,同时发生横摇及纵摇运动时的计算值的波动幅值明显高于只发生横摇运动时的,而当横摇频率较大(2rad/s)纵摇频率较小(0.4rad/s)时,同时发生横摇及纵摇运动时的计算值的波动幅值仅略大于只发生横摇运动时的,且横摇力矩系数整体出现基于纵摇和横摇角速度的波动,说明纵摇运动对横摇运动计算结果有影响,影响大小与纵摇和横摇角速度的大小有关;就纵摇力矩系数而言,当纵摇角速度较大(2rad/s)横摇角速度较小(0.4rad/s)时,同时发生横摇及纵摇运动时的计算值与只发生纵摇运动时的计算值基本相等,但当横摇角速度较大(2rad/s)纵摇角速度较小(0.4rad/s)时,计算结果存在明显差异,纵摇力矩系数在基于纵摇角速度波动的同时还明显发生基于横摇角速度的波动.因此,在主轴同时发生横摇及纵摇运动过程中,水动力载荷的变化规律同样主要是由纵摇运动引起的,但当横摇角速度比纵摇角速度大较多时,横摇运动的影响就会体现出来.

2.3载荷对比分析

为了给水平轴水轮机发生更多自由度运动时的水动力研究做铺垫,对水轮机旋转主轴发生单自由度和2自由度运动时的计算结果进行对比分析.图6给出了水轮机主轴发生横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷系数和能量利用率的CFD计算结果和合成结果的对比曲线.图中:合成结果是水轮机主轴分别发生横摇和纵摇运动时计算值的线性叠加,减去水轮机主轴不发生摇荡运动时的计算值;Cal-CFD和Cal-EXP分别表示水轮机主轴同时发生纵摇(角速度为1.2rad/s,幅值为15°)及横摇(角速度为1.2rad/s,幅值为15°)运动时的计算值和合成值.

图5不同角速度时计算结果

图6计算值与合成值对比曲线

由图6可以看出,轴向载荷系数和能量利用率的计算值和合成值基本一致,只是能量利用率在最小值附近有些差异.因此,在计算水平轴水轮机在主轴发生更多自由度运动时的水动力载荷时,可将多自由度运动分解成多个单自由度运动,分别计算水轮机主轴发生各单自由度运动时的轴向载荷,然后进行载荷合成,得到水轮机多自由度运动时水动力载荷的近似值.

3、结论

本文采用CFD方法对水平轴水轮机在均匀来流中发生纵摇和横摇耦合运动时的水动力特性进行了计算,研究结果表明:

(1)纵摇和横摇耦合运动时,能量利用率和轴向载荷系数随时间发生波动,波动幅值和频率主要由纵摇运动参数决定.纵摇运动的参数对水轮机的结构安全、疲劳寿命及潮流电站电能的稳定输出产生影响,在结构和电控系统设计中需要特别考虑.

(2)横摇和纵摇耦合运动时,横摇力矩随时间发生基于纵摇频率的波动,且波动幅值大于只发生横摇运动时的波动幅值.

(3)横摇和纵摇耦合运动时,纵摇力矩随时间发生基于纵摇频率的波动,但当横摇频率比纵摇频率大较多时,纵摇力矩系数发生基于纵摇频率波动的同时还明显发生基于横摇频率的波动.

参考文献：

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[2]王凯,孙科,张亮,等.艏摇对立轴潮流能水轮机的水动力性能影响[J].上海交通大学学报,2016,50(4):563-568.

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[11]张亮,王树齐,马勇,等.潮流能水平轴叶轮纵摇运动水动力分析[J].哈尔滨工程大学学报,2015,36(3):1-5.

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