鄧智雯， 袁軍亭， 王世明， 王立原

(上海海洋大學 工程學院， 上海 201306)

1 研究背景

隨著化石能源的緊缺及全球氣候變暖，清潔、可再生能源的開發(fā)與利用日益受到世界各國的關(guān)注，對改善能源結(jié)構(gòu)具有戰(zhàn)略作用。海洋能不僅是清潔能源，同時也是可再生自然能源，一般包括波浪能、潮汐能、潮流能、鹽差能、溫差能等。我國海洋能資源豐富，海洋能發(fā)電技術(shù)的研究也正在逐步發(fā)展。但由于海域流速及波浪的不規(guī)則性等因素，致使我國現(xiàn)有的海洋能發(fā)電裝置發(fā)電功率較小、可產(chǎn)生發(fā)電工作的時間短、發(fā)電機組結(jié)構(gòu)尺寸過大、開發(fā)成本較高等問題[1]。

加拿大的Faure等[2]在1986年提出可以在垂直水輪機結(jié)構(gòu)外部加裝導(dǎo)流罩。隨后，阿根廷的ISEP小組再次提出在垂直水輪機外加裝導(dǎo)流罩方法，并研究了導(dǎo)流罩對垂直水輪機的發(fā)電效率影響。研究結(jié)果表明加裝導(dǎo)流罩能使葉輪附近流域的流速增大，能提高發(fā)電效率，由此可以達到減小發(fā)電機組尺寸，節(jié)約成本的目的[3]。隨著數(shù)值模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，王樹杰等[4]對4種不同母線的導(dǎo)流罩進行了數(shù)值模擬，初步分析了開口張角對圓形導(dǎo)流罩的水動力性能影響。王俊皓等[5]采用數(shù)值模擬的方法，對變角度導(dǎo)流罩進行了水動力設(shè)計。

本文采用數(shù)值模擬與實驗設(shè)計相結(jié)合的方法，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的直線型導(dǎo)流罩進行了數(shù)值模擬的正交實驗。通過實驗，探索其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對直線型導(dǎo)流罩的加速性能的影響規(guī)律，找到影響其加速性能的主要因素，最終的得出較優(yōu)的方案組合。

2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)與原理

2.1 導(dǎo)流罩特征與工作原理

直線型導(dǎo)流罩如圖1所示分為擴口段和中間段。擴口段直徑與中間段的直徑的差值，使得流體經(jīng)過導(dǎo)流罩的時候，產(chǎn)生高低壓差，從而產(chǎn)生抽吸作用，從而使得流體經(jīng)過中間段的時候流速得到加速[6-7]，將此性能稱作為加速性能，顯然導(dǎo)流罩中部流速相對于來流流速越大，加速性能越優(yōu)，所以本研究中將以導(dǎo)流罩中部的流速與水流入口處的流速的比值作為衡量指標。

圖1 導(dǎo)流罩示意圖

2.2 加裝導(dǎo)流罩對軸流式浪流發(fā)電裝置水輪機的影響

波浪能發(fā)電裝置是通過波浪帶動水輪機旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換裝置將水輪機輸出軸的機械能轉(zhuǎn)化為電能。而導(dǎo)流罩加裝在水輪機之外(如圖1所示)，可增加作用在水輪機上的水流速度。根據(jù)貝茲理論，水輪機的輸出軸功率計算公式[8]可簡寫為：

(1)

式中：P為輸出功率，W；ρ為液體密度，kg/m3；S為迎流面積，m2；v為來流速度，m/s；Cp為功率系數(shù)。

由上式可知，功率與流速3次函數(shù)關(guān)系，當流速增加，水輪機的輸出軸功率將大大增加。因此提高導(dǎo)流罩的加速性能，對提高發(fā)電機的發(fā)電功率有顯著的效果。

3 正交試驗

3.1 水力設(shè)計

導(dǎo)流罩的加速性能主要取決于導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)尺寸。直線型導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)尺寸主要參數(shù)包括擴口段直徑D、中間段直徑d、擴口段長度L、中間段長度H和開口張角α。如圖2所示：

圖2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

本研究中，直線型導(dǎo)流罩的是裝在直徑為500 mm的葉輪之外，先將導(dǎo)流罩中間段直徑定為600 mm。設(shè)定無窮遠處的水流速度為3 m/s，方向與導(dǎo)流罩入口垂直，根據(jù)正交試驗要求設(shè)計出9種直線型導(dǎo)流罩，通過CFD仿真，找出其加速性能較優(yōu)的方案。

3.2 試驗因子與試驗方案

由于導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)受到葉輪結(jié)構(gòu)以及裝配在葉輪兩段的發(fā)電機長度大小的影響，同時為了整個浪流發(fā)電機的協(xié)調(diào)構(gòu)造，導(dǎo)流罩總長度不得超過3 000 mm，中間段長度H不得低于600 mm。因流體在流動過程中，流體之間的相對運動會產(chǎn)生切應(yīng)力以及流體與固壁之間不可避免的產(chǎn)生摩擦阻力[9]。若中間段過長則會增加流動阻力，從而產(chǎn)生不必要的能量損失，同時也會導(dǎo)致擴口段長度過小，從而產(chǎn)生迎流面積過小、增速效果顯著減弱等不利影響。開口張角α的大小影響著導(dǎo)流罩引流面積的大小以及導(dǎo)流罩的擴口段局部阻力[9]。故根據(jù)經(jīng)驗將L的實驗參數(shù)定為400，700，1 000 mm，H的試驗參數(shù)定為600，800，1 000 mm，α的實驗參數(shù)定為15°，25°，35°。因子水平如表1所示。

表1 導(dǎo)流罩因子水平表

根據(jù)標準的正交表，選用L9(34)正交表，由因素水平表及正交表得出表2所示的9種結(jié)構(gòu)參數(shù)配置的試驗方案。通過試驗可以得出擴口段長度L、中間段長度H和開口張角ɑ對直線型導(dǎo)流罩的加速性能的影響規(guī)律。

表2 試驗方案

4 導(dǎo)流罩數(shù)值模擬仿真

利用流體仿真軟件，可以進行對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)流罩進行仿真試驗，可得出指定位置隨著時間的流速的變化情況。

4.1 模型的選擇

本研究模型采用Standardk-ε模型湍流模型，運用Segregated隱式求解器，壓力和速度耦合采用Couple算法。湍流動能方程、動量方程以及耗散率方程采用二階迎風格式，為了讓計算結(jié)果更快的收斂，采用欠松弛技術(shù)，特殊耗散率、湍動能松弛因子、松弛因子、速度欠松弛因子均取 0.3， 其他默認。殘差收斂均取為0.0001。

Standardk-ε的數(shù)學表達式如下，詳細推導(dǎo)過程可參考文獻[10]。

其湍動能方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

湍動能耗散率方程為：

(3)

式中：k為湍動能，J；ε為湍動能耗散率；ρ為液體密度,kg/m3；ui為速度，m/s；Gk為平均速度梯度所導(dǎo)致的湍動能，J；Gb為浮力所導(dǎo)致的湍動能，J；YM為可壓縮湍流波動擴張對整體耗散率的貢獻；σk為湍動能普特朗常數(shù)；σε為湍動能耗散率普特朗常數(shù)；Sk、Sε為用戶自定義的湍動能和湍動能耗散率的源項；μt為湍黏性系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)。

4.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在Gambit中，建立導(dǎo)流罩的二維平面模型，因?qū)Я髡譃檩S對稱模型，故采用二維軸對稱模型來提高計算速度[11-15]。整個計算域以軸線的中心點為坐標原點，以過導(dǎo)流罩軸線的中點并垂直于軸線的直線為基線，以入口距離基線3D(D為導(dǎo)流罩擴口段直徑)，出口距基線5D，保證計算域內(nèi)流體充分發(fā)展[11-12]，并根據(jù)模型劃分合適的網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠節(jié)省大量的內(nèi)存空間，擁有更高的計算效率，本文采用分塊網(wǎng)格技術(shù)進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，將接近導(dǎo)流罩壁面及其內(nèi)部的網(wǎng)格細化。

圖3 網(wǎng)格劃分

此模型邊界條件，參照中國海洋大學工程學院的王樹杰等[4]的模型，入口為速度入口，假定來流來自于無窮遠處，且速度為勻速3 m/s，方向垂直于導(dǎo)流罩入口；出口為自由出口，流域的上邊界和導(dǎo)流罩邊界為無滑移壁面，對稱軸所在邊界為對稱邊界。

5 仿真數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果分析

5.1 仿真結(jié)果

數(shù)值計算9組方案的得到速比值如表3所示。

表3 試驗結(jié)果

從表3中可以看出，A3B2C1為導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)化速比最大。為排除隨機因素，驗證各結(jié)構(gòu)參數(shù)對中間段流速，軸向力系數(shù)影響的主次順序，需要對表3中的數(shù)據(jù)作極差分析。極差分析方案如表4所示：

由表4可知，A3B2C1方案為導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)化速比最大，且極差關(guān)系為：RA>RC>RB，因此結(jié)構(gòu)參數(shù)對導(dǎo)流罩轉(zhuǎn)化速比的影響順序為：擴口段長度>開口張角>中間段長度。

綜上所述，方案8導(dǎo)流罩加速性能最佳。如圖4所示：由導(dǎo)流罩入口處沿軸線，水流速度呈階梯式增加，在導(dǎo)流罩中部產(chǎn)生的明顯的增速效果。沿軸線方向的速度曲線如圖5所示，速度在中間位置達到了最大值6.4 m/s。相對于最差的方案速比提高了42.83%。

表4 極差分析表

圖4 方案8導(dǎo)流罩仿真結(jié)果圖

5.2 模型試驗

得到最佳轉(zhuǎn)化速比的導(dǎo)流罩后制作模型。在上海東海計量中心水槽中進行了試驗，試驗裝置如圖6所示。試驗裝置為方案8中的導(dǎo)流罩模型，海流計等。

一共進行了10組試驗。試驗過程中，將導(dǎo)流罩安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，將海流計固定在導(dǎo)流罩的軸線上不同的10個位置(如圖7所示)，設(shè)計拖曳速度為3 m/s，分別進行10次試驗。通過海流計測得導(dǎo)流罩軸線不同位置處的流場速度，將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果繪制在同一個圖中，如圖8所示。

圖5 方案8導(dǎo)流罩沿軸線的速度

圖6 試驗裝置圖

圖7 導(dǎo)流罩水槽試驗流速測量點

由圖8可知，在導(dǎo)流罩迎流方向擴口段，流場速度迅速增加，從3.1 m/s左右迅速增加至5.5 m/s，在中間段流場速度達到最大6.0 m/s左右，中間段過后又開始不斷減小至3.4 m/s左右。在入口及出口段速度較仿真低一些，這是由于水流沖擊導(dǎo)流罩，出現(xiàn)微小的能量損失。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好，趨勢基本一致。

圖8 水槽試驗導(dǎo)流罩軸線流速

6 結(jié) 論

(1)本文采用正交試驗，通過改變直線型導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對導(dǎo)流罩加速性能的影響，探究表明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，導(dǎo)流罩的加速性能明顯不同。

(2)試驗結(jié)果分析表明，導(dǎo)流罩擴口段長度和開口張角是影響加速性能的主要因素，中間段張都對加速性能影響不大。

(3)通過對正交試驗結(jié)果作極差分析，得到導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)參數(shù)的對其加速性能的影響的主次順序。大大縮短了優(yōu)化導(dǎo)流罩的時間，為軸流式浪流發(fā)電機的導(dǎo)流罩設(shè)計提供了依據(jù)。

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