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标题 基于CFD的潮流能水轮机数值模拟研究
范文 张强等



摘要：为了开发一种水力性能良好的水平轴潮流能水轮机，以Fluent软件为平台，利用CFD技术，对潮流能水轮机进行三维湍流数值模拟：利用三种具有不同特征翼型形成两种类型共8种不同叶片，对这8种叶片形成的水轮机流场进行三维数值模拟计算。模拟结果发现，水轮机叶片叶尖采用对称翼型及叶根采用弯度较大翼型能够获得较好的水力性能。最优方案水轮机内部流场流态良好，符合设计要求。
关键词：潮流能；潮流能水轮机；数值模拟；叶片设计；翼型
中图分类号：TM619 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0518-04
Abstract：In order to develop a horizontal axis tidal current energy turbine with high hydraulic performance，three-dimensional numerical simulation was applied to simulate the tidal current energy turbines using CFD technology with FLUENT as the platform.Three different airfoil shapes were used to form a total of eight blades of two types，and the flow fields of the turbine produced by the eight blades were simulated.The results showed that the turbine with the symmetrical airfoil in the tip of blade and large-camber airfoil in the root of blade has better hydraulic performance.The flow pattern of the optimal turbine is good and can meet the design requirements.
Key words：tidal current energy；tidal current energy turbine；numerical simulation；blade design；airfoil
在已知的各种形式海洋能中，潮流能的能流密度最大。相对于风能、太阳能等能源，它的能量更加集中。同时潮流能的能量转换装置具有较小几何尺度的优势，尺寸数10 m左右的机组其装机容量可达百kW级[1]。几何尺度的优势使它施工更加灵活方便，同时对海洋生态环境的影响也较小。基于这样的原因，潮流能正越来越受到国内外人们的重视。我国海洋潮流能储量丰富，潮流能理论平均功率为13 940 MW[2]，其开发利用潜力巨大。
潮流能水轮机是潮流能能量转换的重要装置，对开发及利用潮流能十分重要。其动力原理、机械构造以及能量特性是目前潮流能开发的研究重点和难点。其中水平轴潮流能水轮机是获取潮流能的常用装置。
国外的潮流发电研究开始于20世纪70年代中期，2004年英国的MCT公司成功制造出第一台并网型，额定容量300 kW的的机组。从总体来看，与国外相比我国潮流能发电技术还比较落后。我国潮流能开发利用项目容量都在百kW内，且大部分为国家资助项目，国内企业或公司还没有参与，各项技术的提升空间较大。
本文拟通过建立不同形式叶片和水轮机的三维模型，利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术进行基于不可压缩连续方程、雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型的三维数值模拟计算，以期得到一种效率及出力均较高的潮流能水轮机。
1 叶片及水轮机模型
1.1 叶片型式及翼型选择
为了寻找到一种较优的叶片，在对已有不同特征翼型水动力性能分析比较[3-5]的基础上，本文利用三种不同翼型形成的叶片进行分析，分别是NACA 63-212、NACA 6409和NACA 4412[6]（图1）。其中，NACA 63-212是一种对称翼型，其相对弯度很小，厚度适中；NACA 6409相对弯度较大，但是相对厚度较小；NACA 4412的相对弯度和相对厚度均介于NACA 63-212和NACA 6409之间。
根据现有翼型理论，弯度越大的翼型，其升力系数越大，翼型的升阻比也越大，则整体装置的能量转换性能也越好，但是其结构强度及过流能力则相对减弱。因而最终的叶片采用何种翼型，还需要通过进一步的数值模拟结果进行分析研究。
本次叶片设计，选择了两种不同类型的叶片进行分析比对（图2）：第一类与风力机叶片类似，叶尖较窄而叶根较宽；第二类与普通贯流式水轮机叶片类似，叶尖较宽而叶根较窄。
1.2 水轮机三维模型构建
水轮机叶片的叶尖及叶根扭角相对于叶轮旋转平面分别为5°和30°。转轮直径为3 m，轮毂直径0.9 m，轮毂比为0.3。考虑到流动的充分发展，计算区域沿流动方向取20 m，垂直流动方向取5 m。最终，建立的叶片及转轮的模型见图3。
2 数值计算原理和方法
2.1 计算方法
CFD是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、
能量守恒方程）控制下对流动进行的数值模拟。本文的研究介质是海水，其流动为不可压缩黏性湍流，在潮流能水轮机的应用中热交换很小且可以忽略不计，因此不考虑能量守恒方程，而控制方程采用连续性方程及三维定常N-S方程[7]进行求解计算。
Spalart-Allmaras模型作为一种单方程涡粘系数模型，在湍流对流场影响不大，需要有较好的边界层计算效果同时网格精度要求不高时可以选用[9]。多次计算表明，采用该模型收敛速度快，计算结果与试验接近，因此本文选用了Spalart-Allmaras模型，并以壁面函数法修正。
为保证计算精度，选择二阶迎风格式进行离散，隐式求解，各松弛因子均采用默认值。离散后方程组不能直接求解，需通过修正方法进行调整，本文采用在SIMPLE算法基础上改进的SIMPLEC算法。控制方程的离散选用Standard 方式，压力项采用二阶格式。动静相干模型采用简单明了的多跟踪观察参考量系模型（MRF）[10]。
2.2 网格划分
考虑到模型结构的不规则性和流动的复杂性，采用非结构网格对计算区域进行划分：
对于叶轮段，由于直接划分体网格比较困难且需要对叶片进行细致的流态分析，所以先对面进行网格划分，即划分叶片压力与吸力面，单元类型选用Tri，划分方式选择Pave；然后进行体网格的划分。由于转轮叶片区域结构较复杂，故对其所在区域进行局部加密技术。叶轮段网格节点数为117 866，单元数为594 253。
对于流道段，则直接进行体网格的划分，单元类型选用Tet/Hybrid，划分方式选择TGrid（混合网格）。流道段网格节点数为79 689，单元数为433 446。
忽略机壳与轮缘间的间隙流动，动静部分之间采用GGI拼接网格技术。叶轮段及流道段的网格质量EquiAngle Skew均控制在0.85以下，满足计算要求。
计算区域的整体网格划分见图4。
2.3 边界条件
由于研究介质海水为不可压缩流体，入口断面处速度（即无穷远来流速度）已知，且进、出口断面压力无变化，故选取进口边界条件为速度进口（velocity-inlet）；由于出流边界上的压力和速度均未知，选择自由出流（outflow）作为出口边界条件；速度进口流速大小为2 m/s，方向为+X轴；转轮区流体随转轮旋转，转速为50 r/min；流道区内流体为静止，不同区域边界设置交界面（interface）。
此外，将轮毂，叶片等部件都设成旋转状态。
3 计算结果及分析
利用CFD软件对两类共8种叶片形成的水轮机三维流场进行数值模拟计算，水轮机出力及效率见表2和3。
由表2、表3可以看出，第一类叶片型式其出力均低于同翼型组成的第二类叶片型式，但是效率均高于第二类叶片型式；第二类叶片型式最高出力能够达到19 kW，但是其对应的效率仅为37.25%。分析其原因，主要在于两类叶片型式的模型差异。对于水轮机来说，叶片是影响其能量转换性能的关键，而一个叶片的能量转换性能又主要是由叶尖部分决定的。第一类叶片型式采用较窄的叶尖翼型，因而其水力损失会相对较小，但是相对应的做功能力就会较差，因而在外特性上表现出来的就是出力相对较低而效率相对较高。第二类叶片型式采用较宽翼型，其水力损失会相对较大，做功能力会较好，在外特性上表现出较高的出力和较低的效率[11-12]。
两类叶片型式计算结果内在规律相似，对第一类叶片型式计算结果进行分析，第二类叶片型式分析同理：Ⅰ-1、Ⅰ-2两种叶片的叶尖均采用NACA 63-212翼型，叶根则分别采用NACA 6409和NACA 4412翼型，Ⅰ-1的效率稍大于Ⅰ-2，而出力明显大于Ⅰ-2。这是由于弯度较大的NACA 6409翼型具有更大的升力系数和升阻比，因而能够获得更大的出力[13]。由于叶尖的翼型相同，两个叶片水力损失相差不大，能量转换性能相当，即效率相近。Ⅰ-3和Ⅰ-4叶片的情况与此类似。
Ⅰ-1和Ⅰ-3两种叶片采用相同的翼型构成，只是分别在叶尖和叶根的位置进行调换。两种叶片出力效果相近，Ⅰ-3略大于Ⅰ-1，但是Ⅰ-1效率明显大于Ⅰ-3。原因在于：叶片采用的翼型相同，因而其出力相差不大；Ⅰ-1叶片的叶尖为对称翼型NACA 63-212，而Ⅰ-3叶片叶尖为弯度较大的翼型NACA 6409，叶尖是水轮机能量转换性能的关键，Ⅰ-1叶片叶尖翼型的水力损失明显大于Ⅰ-3叶片叶尖翼型，因而Ⅰ-1叶片的效率高于Ⅰ-3号叶片。对比Ⅰ-2号、Ⅰ-4号叶片可以得出同样结论。
综合分析两种叶片型式计算结果，Ⅰ-1号叶片和Ⅱ-1号叶片的水力性能分别在两类叶片中相对突出，两种叶片的叶尖均采用NACA 63-212的对称翼型，而叶根则采用弯度较大的NACA 6409翼型。两种叶片出力仅相差1.2kW，但是效率相差接近3%，因而从外特性来看Ⅰ-1号叶片为8种叶片中的较优叶片。
下面对Ⅰ-1号和Ⅱ-1号叶片的表面静压分布情况进行比较分析，两个叶片压力面及吸力面压力分布如图5所示。
两种叶片的压力云图整体分布规律较为相似，压力梯度变化较均匀，压力面压强明显大于吸力面压强，因而能够表现出良好的水力性能。压力面压强分布为：从进水处呈现最大静压，然后向出水处过渡的过程中先逐渐减小，然后又继续增大直到出水处；吸力面压强分布则是从进水处的最小静压一直增大直到出水处。
比较两种叶片，Ⅱ-1号叶片压力面静压分布较为均匀，没有明显的分层现象；Ⅰ-1号叶片压力面静压分布则有较为明显的分层现象。两种叶片吸力面均存在明显的低压区，但是Ⅱ-1号叶片的低压区较为分散，而Ⅰ-1号叶片低压区则较为集中，因而从气蚀性能来看1号叶片要优于Ⅱ-1号叶片，但总体来说影响不大[14-15]。Ⅱ-1号叶片压力面与吸力面的压差要高于Ⅰ-1号叶片，因而在外特性上表现出更高的出力。
通过上述外特性和内特性的比较分析，最终选择Ⅰ-1号叶片为较优叶片。
图6为最终选用水轮机流线图。从图中可以看出整个流道内流线上下对称，顶部和底部流线顺直，无不良流态。在水轮机转轮体后流线呈绕流道中心的螺旋线状，流态较为顺畅，无明显的漩涡及涡带产生。
4 结语
本文利用两种类型、三种翼型形成8种不同叶片，通过CFD软件对8种叶片的水轮机分别进行三维数值模拟计算，分析了这些水轮机的效率、出力和转轮叶片表面静压分布情况，得到一种综合表现较优的潮流能水轮机。水轮机流道内部水流流态良好，流线平滑，无回流、局部漩涡等不良流态。模拟结果表明，叶尖采用对称的NACA 63-212翼型及叶根采用弯度较大的NACA 6409翼型形成的两种类型叶片均在同类型叶片中水力性能表现最好。[HJ1.5mm]
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更新时间：2024/12/23 3:42:31