鄭美云, 李卓越, 杜鵬, 胡海豹, 陳效鵬, 黃瀟

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072)

當(dāng)今世界，石油等化石能源依舊占據(jù)能源使用量的80%以上。隨著國(guó)際能源問題的日益突出，世界各國(guó)都在積極開發(fā)新型清潔能源。海洋能指依附在海水中的可再生能源，包括潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能等。全球海洋能的儲(chǔ)量極為豐富，據(jù)估計(jì)，總儲(chǔ)量達(dá)750多億千瓦，可開發(fā)儲(chǔ)量達(dá)64億千瓦，其中可開發(fā)潮流能儲(chǔ)量達(dá)3億千瓦[1]。我國(guó)周邊海域海洋能理論儲(chǔ)量約為61億千瓦，可開發(fā)儲(chǔ)量達(dá)9.8億千瓦，其中可開發(fā)潮流能儲(chǔ)量為2 179萬千瓦[2]。

潮流能又稱海流能，是指潮水在水平運(yùn)動(dòng)時(shí)所含有的動(dòng)能。與潮汐能類似，潮流能也是由太陽(yáng)和月球的引力作用引起的海水運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，是一種可再生能源。在離岸較遠(yuǎn)的寬闊海域中，潮流的流速和方向的規(guī)律性較弱，不具有開發(fā)條件。但在沿岸、水道和港灣等海域，潮流的流速和方向具有很強(qiáng)的規(guī)律性，而且這些海域的潮流流速普遍較高，為潮流能的開發(fā)提供了有利條件。潮流能的開發(fā)不需要像潮汐能發(fā)電站一樣修建大壩，也不會(huì)破壞海洋環(huán)境，同時(shí)，潮流能的能量密度比風(fēng)能和太陽(yáng)能高，這些特點(diǎn)使得潮流能的開發(fā)利用成為了新能源開發(fā)的重要一環(huán)[3]。

我國(guó)周邊海域潮流能總儲(chǔ)量很多，但是流速普遍較低，造成潮流能發(fā)電機(jī)組尺寸過大、獲能功率低，同時(shí)發(fā)電機(jī)組尺寸過大會(huì)對(duì)周邊海域環(huán)境產(chǎn)生不利影響。水輪機(jī)的輸出功率可以用以下公式表示：

(1)

式中:p為水輪機(jī)輸出功率;ρ為流過水輪機(jī)的水流密度;A為水輪機(jī)工作面積;V為流過水輪機(jī)的水流速度;μ為水輪機(jī)的工作效率。由公式(1)可知,在水輪機(jī)尺寸與工作效率確定的情況下,水輪機(jī)的獲能功率與水流流速的3次方成正比。在發(fā)電機(jī)組尺寸受限的情況下,提升水流流速成為了提升水輪機(jī)獲能功率的優(yōu)選方案。導(dǎo)流增效裝置也稱為導(dǎo)流罩或擴(kuò)散器,是一種可以提高水輪機(jī)工作段水流流速的裝置,原理同風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器類似,通過前部曲線段的壁面干擾流場(chǎng)環(huán)境,使得水輪機(jī)工作段的水流流速增加。由公式(1)可知,當(dāng)導(dǎo)流增效裝置開口面積是水輪機(jī)工作面積的1.5倍時(shí),水輪機(jī)工作段理論流速變?yōu)樵瓉淼?.5倍,水輪機(jī)的獲能效率是原來的3.3倍。目前各國(guó)對(duì)潮流能水輪機(jī)導(dǎo)流罩的研究尚處于試驗(yàn)示范階段,對(duì)導(dǎo)流罩曲線段線型的研究較少。

本文以垂直軸水輪機(jī)為研究對(duì)象,采用CFD數(shù)值模擬方法,開展了垂直軸水輪機(jī)導(dǎo)流增效裝置性能模擬研究,完成了水輪機(jī)及導(dǎo)流增效裝置的幾何建模,使用OpenFOAM中的snappyHexMesh模塊進(jìn)行了葉片和導(dǎo)流增效裝置的網(wǎng)格劃分,利用OpenFOAM中的不可壓流體求解器模擬研究了導(dǎo)流增效裝置外形參數(shù)等對(duì)垂直軸水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 垂直軸水輪機(jī)工作原理及模擬方法

1.1 工作原理

潮流能水輪機(jī)的工作原理與風(fēng)力發(fā)電機(jī)類似,通過葉片受力作用將流體水平運(yùn)動(dòng)所蘊(yùn)含的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。當(dāng)海水流經(jīng)水輪機(jī)葉片時(shí),由于水流的沖擊作用,葉片的受力面和背力面所受的壓力不同。多個(gè)葉片同時(shí)受力時(shí),可使得水輪機(jī)受到的力矩始終為一個(gè)方向,從而保證水輪機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。水輪機(jī)開始旋轉(zhuǎn)后,通過機(jī)械裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),帶上外載荷后即可輸出電流。

水輪機(jī)相關(guān)工作參數(shù)是表示水流在通過水輪機(jī)時(shí)水流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)機(jī)械能過程中的特征數(shù)據(jù)。主要包括水頭H、流量Q、輸出功率P、效率μ以及轉(zhuǎn)速n。水頭(工作水頭)是指水輪機(jī)入口處和出口處單位質(zhì)量的水流能量差[3]。根據(jù)定義可寫出水輪機(jī)水頭公式

(2)

設(shè)水輪機(jī)在水流速度為U的情況下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)(見圖1),角速度為ω,葉片旋轉(zhuǎn)半徑為r,運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t,則水輪機(jī)葉片位置可表示為

θ=ωt

(3)

x=r·cosθ=r·cosωt

(4)

y=r·cosq=r·sinωt

(5)

通過上式可以得到水輪機(jī)葉片坐標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律。x方向水流誘導(dǎo)速度為u,β為葉片傾角(見圖1)。則此刻葉片處的合速度為

Wd=ω×r+(U+u)cosβ

(6)

且葉片處水流流速為

UD=U+u

(7)

則(6)式可以改寫為

Wd=ω×r+UDcosβ

(8)

為方便起見,將速度向沿葉片方向和垂直葉片方向分解,得

Wdcosα=ωr+UDcosβsinθ

(9)

Wdsinα=UDcosβcosθ

(10)

式中:α為葉片的氣動(dòng)攻角;θ為葉片旋轉(zhuǎn)角度。整合(9)式和(10)式得

(11)

(12)

葉片在旋轉(zhuǎn)過程中,由于與水流流向之間存在夾角,故葉片在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生阻力F和升力L(見圖1),將阻力與升力沿著周向和徑向分解為葉片所受得切向力ft和徑向力fn

ft=L·sinα-F·cosα

(13)

fn=-L·cosα-F·sinα

(14)

由于論文研究的水輪機(jī)為阻力型垂直軸水輪機(jī),故葉片為水輪機(jī)提供的旋轉(zhuǎn)力矩為

T=ft·r=(L·sinα-F·cosα)·r

(15)

在圖1所示的坐標(biāo)系中,將葉片所受得切向力ft和徑向力fn分解為沿x軸方向的推力fx和沿y軸方向的橫向力fy

fx=-ftsinθ-fncosβcosθ

(16)

fy=-ftcosθ-fncosβsinθ

(17)

將所求的各力沿葉片方向積分得到單個(gè)葉片的受力以及力矩為

葉片在旋轉(zhuǎn)過程中,其受力隨著旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度的變化而變化,故在水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中,每旋轉(zhuǎn)一周水輪機(jī)所受平均轉(zhuǎn)矩和平均功率為

(20)

式中,N為水輪機(jī)葉片數(shù)量,本文中水輪機(jī)N=3。對(duì)于垂直軸水輪機(jī)而言,水輪機(jī)的工作面積為

A=2HR

(21)

式中:A為工作面積;H為水輪機(jī)的高度;R為水輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)半徑。在水輪機(jī)工作段內(nèi),海水未流過水輪機(jī)時(shí)所蘊(yùn)含的動(dòng)能為

(22)

式中:E為工作面積內(nèi)海水所蘊(yùn)含總動(dòng)能;Ua為海水流速;ρ為海水密度。在水輪機(jī)工作段內(nèi),海水流過水輪機(jī)之后所蘊(yùn)含的動(dòng)能為

(23)

(24)

聯(lián)立(1)式得

(25)

圖1 葉片坐標(biāo)和受力分析

1.2 數(shù)值模擬方法

計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法是在流體力學(xué)基本方程控制下的數(shù)值分析,即質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[4]。通過求解基本方程,得到復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境下的速度、壓力、溫度等基本物理量的分布情況。論文選擇基于RANS(Reynolds-averaged Navier Stokes)方程的單相不可壓流動(dòng)求解器,控制方程如下:

·V=0

(26)

(27)

本研究中的速度壓力解耦通過PIMPLE算法(PISO和SIMPLE算法的結(jié)合)求解,基本思想是在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)用SIMPLE算法求解,在時(shí)間步長(zhǎng)的步進(jìn)上用PISO算法求解[5]。PIMPLE算法將每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)看成一種穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)(采用低松弛提高穩(wěn)定性),當(dāng)計(jì)算到最后一步時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)PISO算法求解。

論文選擇的湍流模型是由Menter在1994年提出的SST(shear stress transport)k-ω模型[6]。通過使用剪應(yīng)力輸運(yùn)公式結(jié)合當(dāng)前兩種主流的二方程湍流模型[7-8]的優(yōu)點(diǎn),是一種混合模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)模型,適用范圍廣,在離壁面較遠(yuǎn)且壓力梯度較小的地方處理能力強(qiáng)。由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流,所以只適用于完全湍流的流動(dòng)模擬。而標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不同,在近壁面處層流內(nèi)處理能力強(qiáng),能夠很好處理近壁面流動(dòng)模擬和流動(dòng)分離。SSTk-ω模型取兩者所長(zhǎng),補(bǔ)兩者所短,在近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型,在邊界層外部的高雷諾數(shù)區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,這使得SSTk-ω模型擁有比標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更高的精度[9]。

在本文的研究中,水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分采用了六自由度模塊。通過固定多個(gè)自由度的方式使得水輪機(jī)繞著中心旋轉(zhuǎn)。為獲得最精確水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)情況,采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算[10]。

2 導(dǎo)流增效原理及模擬設(shè)置

2.1 導(dǎo)流增效裝置工作原理

水輪機(jī)安裝導(dǎo)流增效裝置后,水流在流經(jīng)裝置時(shí)流場(chǎng)發(fā)生變化。圖2導(dǎo)流增效裝置為雙向流通式,當(dāng)流體從裝置左測(cè)流入時(shí),左側(cè)入口曲線段內(nèi)壁面會(huì)干擾流場(chǎng),使得更多的水流進(jìn)入水輪機(jī)工作段內(nèi),隨著水流通道逐漸變窄,水流流速不斷增加。水流流經(jīng)導(dǎo)流段后,在右側(cè)出口曲線段由于壁面擴(kuò)張,在導(dǎo)流段產(chǎn)生低壓區(qū),對(duì)入口段段流體產(chǎn)生抽吸作用,進(jìn)而提高水輪機(jī)工作段水流流速,再?zèng)_擊水輪機(jī),提高水輪機(jī)獲能效率。由連續(xù)性原理知,水輪機(jī)導(dǎo)流增效裝置對(duì)水流流速影響為

V0·A=V·a

(28)

式中:V0為入口處流體流速;A為入口截面積;V為工作段流體流速;a為工作段截面積。對(duì)于垂直軸水輪機(jī)來說,A=DH,a=dH,H為導(dǎo)流增效裝置高度,代入(28)式中得

V0·D=V·d

(29)

圖2 導(dǎo)流增效裝置示意圖

結(jié)合(1)式知,當(dāng)收縮比D/d為1.5時(shí),V/V0為1.5,水輪機(jī)獲能功率提高3.3倍。由于導(dǎo)流增效裝置為左右對(duì)稱型,且垂直軸水輪機(jī)對(duì)水流流向無任何要求,所以當(dāng)水流從右側(cè)流入時(shí),導(dǎo)流增效裝置工作原理與上述相同。

導(dǎo)流增效裝置應(yīng)盡量適應(yīng)雙向流動(dòng),初步設(shè)計(jì)如圖3所示。其中D為裝置寬度,L為裝置總長(zhǎng),d為水輪機(jī)工作寬度(裝置內(nèi)寬),l為水輪機(jī)導(dǎo)流增效裝置工作段長(zhǎng)度(導(dǎo)流段長(zhǎng)度),θ為裝置開口角度,Δl為入口曲線段長(zhǎng)度,Δd為導(dǎo)流增效裝置厚度。由(29)式知

(30)

但(30)式所示速度比為理論比值,在實(shí)際應(yīng)用中,由于入口曲線段壁面在干擾流場(chǎng)的過程中,壁面會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生一定的阻力效應(yīng),導(dǎo)致實(shí)際工作流速略低于理論流速。

圖3 計(jì)算域示意圖

本文首先針對(duì)入口曲線段線型進(jìn)行導(dǎo)流增效裝置設(shè)計(jì),在確定D,L的情況下,選取幾種典型線型,對(duì)比分析每種線型增效裝置對(duì)水輪機(jī)的影響。具體參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)流增效裝置線型設(shè)計(jì)[11-12]

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

由于垂直軸水輪機(jī)的葉片和導(dǎo)流增效裝置都是平面線性直接疊加,故可簡(jiǎn)化為二維算例(見圖4)。

圖4 水輪機(jī)及導(dǎo)流增效裝置

算例示意圖如圖5所示,矩形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域,左側(cè)為流體入口,右側(cè)為自由出流。

圖5 計(jì)算域示意圖

矩形的上下兩側(cè)為無滑移壁面,其流速、壓強(qiáng)等參數(shù)同流體無窮遠(yuǎn)處相同。矩形中間旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)樗啓C(jī),水輪機(jī)上下兩側(cè)為導(dǎo)流增效裝置。計(jì)算域的主要相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算域相關(guān)參數(shù)

其中導(dǎo)流增效裝置區(qū)域占比為6.25%。網(wǎng)格使用OpenFOAM中的snappyHexMesh模塊進(jìn)行自動(dòng)化網(wǎng)格劃分,采用滑移網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)運(yùn)動(dòng)的模擬,在加密滑移邊界處網(wǎng)格的同時(shí)加密導(dǎo)流增效裝置處的網(wǎng)格。論文已開展過網(wǎng)格和時(shí)間步獨(dú)立性分析,選擇合適的網(wǎng)格劃分策略和時(shí)間步,以兼顧模擬精度和計(jì)算速度,論文中的算例網(wǎng)格無量綱壁面距離y+在30～50范圍內(nèi),滿足壁面函數(shù)的要求。

3 導(dǎo)流增效裝置水動(dòng)力學(xué)性能分析

3.1 導(dǎo)流增效裝置對(duì)水輪機(jī)的影響

首先以直線型導(dǎo)流增效裝置為研究對(duì)象,對(duì)比分析安裝直線型導(dǎo)流增效裝置和不安裝導(dǎo)流增效裝置水輪機(jī)流場(chǎng)及相關(guān)數(shù)據(jù),分析導(dǎo)流增效裝置的作用。無導(dǎo)流增效裝置算例的網(wǎng)格數(shù)234 673,時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s,模擬計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為5 s。有導(dǎo)流增效裝置算例選擇直線漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置,網(wǎng)格數(shù)285 624,時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s,模擬計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為5 min。

由圖6b)知,有導(dǎo)流增效裝置可以顯著提高水輪機(jī)的受力大小,導(dǎo)流增效裝置可以顯著提高水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能。安裝導(dǎo)流增效裝置后,水輪機(jī)前五秒平均角加速度變?yōu)樵瓉淼?.6倍,同時(shí)由于水輪機(jī)工作段內(nèi)的流體流速顯著提高,水輪機(jī)的工作流速提高,獲能功率提高。

為分析導(dǎo)流增效裝置對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)性能的影響,通過分析壓力、速度云圖、及速度矢量圖等分析導(dǎo)流增效裝裝置對(duì)水輪機(jī)的影響。分析第五秒的速度(見圖7a))、壓力(見圖7b))、速度矢量(見圖7c))和導(dǎo)流增效裝置區(qū)域流線圖。圖7a)為第五秒時(shí)刻計(jì)算域的速度云圖,可以看出導(dǎo)流增效裝置內(nèi)部的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)流裝置外側(cè),說明導(dǎo)流增效裝置有著很好的聚流增效效果,該效果的產(chǎn)生可通過文丘里效應(yīng)解釋,即當(dāng)流動(dòng)的過流斷面縮小時(shí),流體會(huì)出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象,流速與過流斷面成反比,由伯努利定律可知流速的增大伴隨流體壓力的降低。圖7b)為第五秒時(shí)刻計(jì)算域的壓力云圖,可以看出水流在經(jīng)過導(dǎo)流增效裝置入口曲線段之后,壓強(qiáng)降低,產(chǎn)生負(fù)壓,造成壓差,從而產(chǎn)生抽吸作用。圖7c)為第五秒時(shí)刻計(jì)算域速度矢量圖,可以看到在導(dǎo)流增效裝置外部,流體流速方向相差很小,在導(dǎo)流增效裝置內(nèi)部,流體流速方向隨著導(dǎo)流增效裝置不斷變化,且不同區(qū)域流速方向相差較大。圖7d)為第五秒導(dǎo)流增效裝置局部區(qū)域流線圖,可以看到流線在經(jīng)過導(dǎo)流增效裝置入口曲線段時(shí),靠近壁面的流線發(fā)生彎曲,使流線緊貼著導(dǎo)流增效裝置內(nèi)壁面。

由圖7知,流體在流經(jīng)導(dǎo)流增效裝置之前和導(dǎo)流增效裝置外側(cè)的水流在流動(dòng)過程中,流場(chǎng)內(nèi)部速度大小、方向,壓強(qiáng)等分布基本不發(fā)生變化。水流在流經(jīng)導(dǎo)流增效裝置入口曲線段時(shí),流速整體增加,靠近壁面處的水流流速方向發(fā)生改變,使得水流在靠近壁面處的流速大于導(dǎo)流增效裝置中間區(qū)域,即流速?gòu)膶?duì)稱軸處向壁面處不斷增加,增加到一定程度后,由于壁面的黏滯作用,流速開始減小,直至壁面處,流速變?yōu)?。在導(dǎo)流增效裝置前端處,由于水流突然受到阻礙,產(chǎn)生了2個(gè)尺寸較小的低速、高壓區(qū)域。水流在經(jīng)過水輪機(jī)時(shí),由于水流對(duì)水輪機(jī)做過,流速和壓力同時(shí)減小。

水流在經(jīng)過水輪機(jī)后,在導(dǎo)流增效裝置出口曲線段流線發(fā)生彎曲,使流線同入口曲線段類似,緊貼著導(dǎo)流增效裝置內(nèi)壁面,并在經(jīng)過出口曲線段之后逐漸恢復(fù)。同時(shí)由于內(nèi)部截面積增加,水流流速降低,壓力增加,且靠近壁面處流速相對(duì)較高。

3.2 線型對(duì)導(dǎo)流增效裝置的影響

本節(jié)以直線漸擴(kuò)型、圓形漸擴(kuò)型、橢圓漸擴(kuò)型、拋物線漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置(見圖8)為研究對(duì)象,對(duì)比分析安裝上述4種線型導(dǎo)流增效裝置的水輪機(jī)工作過程流場(chǎng)及相關(guān)參數(shù),分析不同線型對(duì)導(dǎo)流增效裝置的水動(dòng)力學(xué)性能影響。不同線型導(dǎo)流增效裝置計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)都為28萬左右,時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s,模擬計(jì)算總時(shí)長(zhǎng)為5 s。計(jì)算得到前五秒角速度曲線、受力曲線和水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能曲線如圖9所示。

由圖9知,導(dǎo)流增效裝置可以顯著提高水輪機(jī)的受力大小,但是安裝不同線型導(dǎo)流增效裝置受力大小和趨勢(shì)基本相同。由圖9a)知,安裝導(dǎo)流增效裝置后,水輪機(jī)的角速度發(fā)生了很大的變化。由圖9c)知,安裝導(dǎo)流增效裝置后,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能發(fā)生了很大的變化。水輪機(jī)轉(zhuǎn)速顯著提高,且不同選型導(dǎo)流增效裝置對(duì)應(yīng)增效效果有所差異,但是差異不大。其中,橢圓漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的提升效果最差,且與圓、直線、拋物線型相差較大,其次是直線漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置,圓形漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置略好于直線漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置,拋物線漸擴(kuò)型導(dǎo)流增效裝置對(duì)輪機(jī)轉(zhuǎn)速的提升效果最好。通過分析壓力、速度云圖等分析入口曲線段線型對(duì)導(dǎo)流增效裝裝置水動(dòng)力學(xué)性能的影響。以第五秒的速度(見圖10)、壓力(見圖11)云圖為研究對(duì)象。

通過分析壓力、速度云圖等分析入口曲線段線型對(duì)導(dǎo)流增效裝置的影響。圖10為第五秒時(shí)刻計(jì)算域的速度云圖,可以看出不同線型導(dǎo)流增效裝置內(nèi)部的速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)流裝置外側(cè)。圖11為第五秒時(shí)刻計(jì)算域的壓力云圖,可以看出水流在經(jīng)過導(dǎo)流增效裝置入口曲線段之后,壓強(qiáng)降低,產(chǎn)生負(fù)壓,但是不同線型對(duì)應(yīng)導(dǎo)流增效裝置內(nèi)外壓力變化有所區(qū)別。入口曲線段線型對(duì)導(dǎo)流增效裝置水動(dòng)力學(xué)性能的影響為:拋物線最優(yōu),圓形次之,再者是直線,橢圓最差。

圖10 不同線型導(dǎo)流增效裝置及水輪機(jī)第五秒速度云圖 圖11 不同線型導(dǎo)流增效裝置及水輪機(jī)第五秒壓力云圖

4 結(jié) 論

論文以O(shè)penFOAM為數(shù)值模擬平臺(tái),對(duì)垂直軸水輪機(jī)及導(dǎo)流增效裝置進(jìn)行了模擬計(jì)算,分析了導(dǎo)流增效裝置主要參數(shù)對(duì)導(dǎo)流增效裝置水動(dòng)力學(xué)性能的影響。利用OpenFOAM軟件對(duì)水輪機(jī)和導(dǎo)流增效裝置進(jìn)行了仿真計(jì)算,完成了相關(guān)的幾何建模,利用OpenFOAM中的sanppyHexMesh模塊對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,采用了SSTk-ω湍流模型,得到了導(dǎo)流增效裝置相關(guān)參數(shù)對(duì)導(dǎo)流增效裝置水動(dòng)力學(xué)性能的影響。

對(duì)不同導(dǎo)流增效裝置線型條件下的水輪機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算,總結(jié)了線型對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)流增效裝置水動(dòng)力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)拋物線型的導(dǎo)流增效效果最優(yōu),對(duì)工程實(shí)際有借鑒意義。同時(shí),潮流能水輪機(jī)及導(dǎo)流增效裝置是一種正在快發(fā)研究發(fā)展的技術(shù),還需要不斷開展深入的研究工作,為進(jìn)一步的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。