張強(qiáng)等

摘要：為了開發(fā)一種水力性能良好的水平軸潮流能水輪機(jī)，以Fluent軟件為平臺(tái)，利用CFD技術(shù)，對(duì)潮流能水輪機(jī)進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬：利用三種具有不同特征翼型形成兩種類型共8種不同葉片，對(duì)這8種葉片形成的水輪機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水輪機(jī)葉片葉尖采用對(duì)稱翼型及葉根采用彎度較大翼型能夠獲得較好的水力性能。最優(yōu)方案水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)流態(tài)良好，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：潮流能；潮流能水輪機(jī)；數(shù)值模擬；葉片設(shè)計(jì)；翼型

中圖分類號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

在已知的各種形式海洋能中，潮流能的能流密度最大。相對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源，它的能量更加集中。同時(shí)潮流能的能量轉(zhuǎn)換裝置具有較小幾何尺度的優(yōu)勢(shì)，尺寸數(shù)10 m左右的機(jī)組其裝機(jī)容量可達(dá)百kW級(jí)[1]。幾何尺度的優(yōu)勢(shì)使它施工更加靈活方便，同時(shí)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的影響也較小。基于這樣的原因，潮流能正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外人們的重視。我國(guó)海洋潮流能儲(chǔ)量豐富，潮流能理論平均功率為13 940 MW[2]，其開發(fā)利用潛力巨大。

潮流能水輪機(jī)是潮流能能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，對(duì)開發(fā)及利用潮流能十分重要。其動(dòng)力原理、機(jī)械構(gòu)造以及能量特性是目前潮流能開發(fā)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中水平軸潮流能水輪機(jī)是獲取潮流能的常用裝置。

國(guó)外的潮流發(fā)電研究開始于20世紀(jì)70年代中期，2004年英國(guó)的MCT公司成功制造出第一臺(tái)并網(wǎng)型，額定容量300 kW的的機(jī)組。從總體來(lái)看，與國(guó)外相比我國(guó)潮流能發(fā)電技術(shù)還比較落后。我國(guó)潮流能開發(fā)利用項(xiàng)目容量都在百kW內(nèi)，且大部分為國(guó)家資助項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)企業(yè)或公司還沒(méi)有參與，各項(xiàng)技術(shù)的提升空間較大。

本文擬通過(guò)建立不同形式葉片和水輪機(jī)的三維模型，利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)進(jìn)行基于不可壓縮連續(xù)方程、雷諾時(shí)均N-S方程和S-A湍流模型的三維數(shù)值模擬計(jì)算，以期得到一種效率及出力均較高的潮流能水輪機(jī)。

1 葉片及水輪機(jī)模型

1.1 葉片型式及翼型選擇

為了尋找到一種較優(yōu)的葉片，在對(duì)已有不同特征翼型水動(dòng)力性能分析比較[3-5]的基礎(chǔ)上，本文利用三種不同翼型形成的葉片進(jìn)行分析，分別是NACA 63-212、NACA 6409和NACA 4412[6]（圖1）。其中，NACA 63-212是一種對(duì)稱翼型，其相對(duì)彎度很小，厚度適中；NACA 6409相對(duì)彎度較大，但是相對(duì)厚度較??；NACA 4412的相對(duì)彎度和相對(duì)厚度均介于NACA 63-212和NACA 6409之間。

根據(jù)現(xiàn)有翼型理論，彎度越大的翼型，其升力系數(shù)越大，翼型的升阻比也越大，則整體裝置的能量轉(zhuǎn)換性能也越好，但是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及過(guò)流能力則相對(duì)減弱。因而最終的葉片采用何種翼型，還需要通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究。

本次葉片設(shè)計(jì)，選擇了兩種不同類型的葉片進(jìn)行分析比對(duì)（圖2）：第一類與風(fēng)力機(jī)葉片類似，葉尖較窄而葉根較寬；第二類與普通貫流式水輪機(jī)葉片類似，葉尖較寬而葉根較窄。

1.2 水輪機(jī)三維模型構(gòu)建

水輪機(jī)葉片的葉尖及葉根扭角相對(duì)于葉輪旋轉(zhuǎn)平面分別為5°和30°。轉(zhuǎn)輪直徑為3 m，輪轂直徑0.9 m，輪轂比為0.3?？紤]到流動(dòng)的充分發(fā)展，計(jì)算區(qū)域沿流動(dòng)方向取20 m，垂直流動(dòng)方向取5 m。最終，建立的葉片及轉(zhuǎn)輪的模型見圖3。

2 數(shù)值計(jì)算原理和方法

2.1 計(jì)算方法

CFD是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、

能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)進(jìn)行的數(shù)值模擬。本文的研究介質(zhì)是海水，其流動(dòng)為不可壓縮黏性湍流，在潮流能水輪機(jī)的應(yīng)用中熱交換很小且可以忽略不計(jì)，因此不考慮能量守恒方程，而控制方程采用連續(xù)性方程及三維定常N-S方程[7]進(jìn)行求解計(jì)算。

Spalart-Allmaras模型作為一種單方程渦粘系數(shù)模型，在湍流對(duì)流場(chǎng)影響不大，需要有較好的邊界層計(jì)算效果同時(shí)網(wǎng)格精度要求不高時(shí)可以選用[9]。多次計(jì)算表明，采用該模型收斂速度快，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)接近，因此本文選用了Spalart-Allmaras模型，并以壁面函數(shù)法修正。endprint

為保證計(jì)算精度，選擇二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，隱式求解，各松弛因子均采用默認(rèn)值。離散后方程組不能直接求解，需通過(guò)修正方法進(jìn)行調(diào)整，本文采用在SIMPLE算法基礎(chǔ)上改進(jìn)的SIMPLEC算法?？刂品匠痰碾x散選用Standard 方式，壓力項(xiàng)采用二階格式。動(dòng)靜相干模型采用簡(jiǎn)單明了的多跟蹤觀察參考量系模型（MRF）[10]。

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到模型結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和流動(dòng)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分：

對(duì)于葉輪段，由于直接劃分體網(wǎng)格比較困難且需要對(duì)葉片進(jìn)行細(xì)致的流態(tài)分析，所以先對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即劃分葉片壓力與吸力面，單元類型選用Tri，劃分方式選擇Pave；然后進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分。由于轉(zhuǎn)輪葉片區(qū)域結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故對(duì)其所在區(qū)域進(jìn)行局部加密技術(shù)。葉輪段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為117 866，單元數(shù)為594 253。

對(duì)于流道段，則直接進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，單元類型選用Tet/Hybrid，劃分方式選擇TGrid（混合網(wǎng)格）。流道段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為79 689，單元數(shù)為433 446。

忽略機(jī)殼與輪緣間的間隙流動(dòng)，動(dòng)靜部分之間采用GGI拼接網(wǎng)格技術(shù)。葉輪段及流道段的網(wǎng)格質(zhì)量EquiAngle Skew均控制在0.85以下，滿足計(jì)算要求。

計(jì)算區(qū)域的整體網(wǎng)格劃分見圖4。

2.3 邊界條件

由于研究介質(zhì)海水為不可壓縮流體，入口斷面處速度（即無(wú)窮遠(yuǎn)來(lái)流速度）已知，且進(jìn)、出口斷面壓力無(wú)變化，故選取進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口（velocity-inlet）；由于出流邊界上的壓力和速度均未知，選擇自由出流（outflow）作為出口邊界條件；速度進(jìn)口流速大小為2 m/s，方向?yàn)?X軸；轉(zhuǎn)輪區(qū)流體隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為50 r/min；流道區(qū)內(nèi)流體為靜止，不同區(qū)域邊界設(shè)置交界面（interface）。

此外，將輪轂，葉片等部件都設(shè)成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用CFD軟件對(duì)兩類共8種葉片形成的水輪機(jī)三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，水輪機(jī)出力及效率見表2和3。

由表2、表3可以看出，第一類葉片型式其出力均低于同翼型組成的第二類葉片型式，但是效率均高于第二類葉片型式；第二類葉片型式最高出力能夠達(dá)到19 kW，但是其對(duì)應(yīng)的效率僅為37.25%。分析其原因，主要在于兩類葉片型式的模型差異。對(duì)于水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片是影響其能量轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵，而一個(gè)葉片的能量轉(zhuǎn)換性能又主要是由葉尖部分決定的。第一類葉片型式采用較窄的葉尖翼型，因而其水力損失會(huì)相對(duì)較小，但是相對(duì)應(yīng)的做功能力就會(huì)較差，因而在外特性上表現(xiàn)出來(lái)的就是出力相對(duì)較低而效率相對(duì)較高。第二類葉片型式采用較寬翼型，其水力損失會(huì)相對(duì)較大，做功能力會(huì)較好，在外特性上表現(xiàn)出較高的出力和較低的效率[11-12]。

兩類葉片型式計(jì)算結(jié)果內(nèi)在規(guī)律相似，對(duì)第一類葉片型式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，第二類葉片型式分析同理：Ⅰ-1、Ⅰ-2兩種葉片的葉尖均采用NACA 63-212翼型，葉根則分別采用NACA 6409和NACA 4412翼型，Ⅰ-1的效率稍大于Ⅰ-2，而出力明顯大于Ⅰ-2。這是由于彎度較大的NACA 6409翼型具有更大的升力系數(shù)和升阻比，因而能夠獲得更大的出力[13]。由于葉尖的翼型相同，兩個(gè)葉片水力損失相差不大，能量轉(zhuǎn)換性能相當(dāng)，即效率相近。Ⅰ-3和Ⅰ-4葉片的情況與此類似。

Ⅰ-1和Ⅰ-3兩種葉片采用相同的翼型構(gòu)成，只是分別在葉尖和葉根的位置進(jìn)行調(diào)換。兩種葉片出力效果相近，Ⅰ-3略大于Ⅰ-1，但是Ⅰ-1效率明顯大于Ⅰ-3。原因在于：葉片采用的翼型相同，因而其出力相差不大；Ⅰ-1葉片的葉尖為對(duì)稱翼型NACA 63-212，而Ⅰ-3葉片葉尖為彎度較大的翼型NACA 6409，葉尖是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵，Ⅰ-1葉片葉尖翼型的水力損失明顯大于Ⅰ-3葉片葉尖翼型，因而Ⅰ-1葉片的效率高于Ⅰ-3號(hào)葉片。對(duì)比Ⅰ-2號(hào)、Ⅰ-4號(hào)葉片可以得出同樣結(jié)論。

綜合分析兩種葉片型式計(jì)算結(jié)果，Ⅰ-1號(hào)葉片和Ⅱ-1號(hào)葉片的水力性能分別在兩類葉片中相對(duì)突出，兩種葉片的葉尖均采用NACA 63-212的對(duì)稱翼型，而葉根則采用彎度較大的NACA 6409翼型。兩種葉片出力僅相差1.2kW，但是效率相差接近3%，因而從外特性來(lái)看Ⅰ-1號(hào)葉片為8種葉片中的較優(yōu)葉片。

下面對(duì)Ⅰ-1號(hào)和Ⅱ-1號(hào)葉片的表面靜壓分布情況進(jìn)行比較分析，兩個(gè)葉片壓力面及吸力面壓力分布如圖5所示。

兩種葉片的壓力云圖整體分布規(guī)律較為相似，壓力梯度變化較均勻，壓力面壓強(qiáng)明顯大于吸力面壓強(qiáng)，因而能夠表現(xiàn)出良好的水力性能。壓力面壓強(qiáng)分布為：從進(jìn)水處呈現(xiàn)最大靜壓，然后向出水處過(guò)渡的過(guò)程中先逐漸減小，然后又繼續(xù)增大直到出水處；吸力面壓強(qiáng)分布則是從進(jìn)水處的最小靜壓一直增大直到出水處。

比較兩種葉片，Ⅱ-1號(hào)葉片壓力面靜壓分布較為均勻，沒(méi)有明顯的分層現(xiàn)象；Ⅰ-1號(hào)葉片壓力面靜壓分布則有較為明顯的分層現(xiàn)象。兩種葉片吸力面均存在明顯的低壓區(qū)，但是Ⅱ-1號(hào)葉片的低壓區(qū)較為分散，而Ⅰ-1號(hào)葉片低壓區(qū)則較為集中，因而從氣蝕性能來(lái)看1號(hào)葉片要優(yōu)于Ⅱ-1號(hào)葉片，但總體來(lái)說(shuō)影響不大[14-15]。Ⅱ-1號(hào)葉片壓力面與吸力面的壓差要高于Ⅰ-1號(hào)葉片，因而在外特性上表現(xiàn)出更高的出力。

通過(guò)上述外特性和內(nèi)特性的比較分析，最終選擇Ⅰ-1號(hào)葉片為較優(yōu)葉片。

圖6為最終選用水輪機(jī)流線圖。從圖中可以看出整個(gè)流道內(nèi)流線上下對(duì)稱，頂部和底部流線順直，無(wú)不良流態(tài)。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體后流線呈繞流道中心的螺旋線狀，流態(tài)較為順暢，無(wú)明顯的漩渦及渦帶產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用兩種類型、三種翼型形成8種不同葉片，通過(guò)CFD軟件對(duì)8種葉片的水輪機(jī)分別進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析了這些水輪機(jī)的效率、出力和轉(zhuǎn)輪葉片表面靜壓分布情況，得到一種綜合表現(xiàn)較優(yōu)的潮流能水輪機(jī)。水輪機(jī)流道內(nèi)部水流流態(tài)良好，流線平滑，無(wú)回流、局部漩渦等不良流態(tài)。模擬結(jié)果表明，葉尖采用對(duì)稱的NACA 63-212翼型及葉根采用彎度較大的NACA 6409翼型形成的兩種類型葉片均在同類型葉片中水力性能表現(xiàn)最好。[HJ1.5mm]endprint

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