水平軸潮流能水輪機(jī)葉片變槳角度研究

1、    水平軸潮流能水輪機(jī)葉片變槳角度研究    摘要：利用flow-3d軟件建立了單樁型水平軸潮流能發(fā)電機(jī)的三維數(shù)值模型。采用該模型對(duì)不同葉片變槳角度時(shí)的水動(dòng)力過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果從葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪動(dòng)能、葉輪受力、水位和流速變化的角度進(jìn)行了分析和討論。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)葉片變槳角度增大時(shí)，來流方向的葉輪受力和葉輪動(dòng)能也都隨之增大;變槳角度對(duì)于與來流垂直的y和z方向的葉輪受力影響較小;葉片變槳角度越大、水輪機(jī)下游附近流速降低的越快，流速就越小，而在水輪機(jī)下游較遠(yuǎn)處，葉片變槳角度越大，尾流場(chǎng)恢復(fù)得越快，其流速也越大。關(guān)鍵詞：潮流能;三維數(shù)值模

2、擬;葉片變槳角度;水輪機(jī);水動(dòng)力特性中圖法分類號(hào)：tv734文獻(xiàn)標(biāo)志碼：adoi：l0.16232/ki.1001-4179.2019.03.0361研究背景能源是人類賴以生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也日益增長(zhǎng)。潮流能由于具有能量密度大、儲(chǔ)量豐富、規(guī)律性強(qiáng)以及載荷穩(wěn)定等特點(diǎn)而越來越受到世界各科技強(qiáng)國(guó)的關(guān)注和重視1-5。潮流能發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分是潮流能發(fā)電機(jī)組，目前由于其能量提取率高、技術(shù)成熟穩(wěn)定，水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組成為了應(yīng)用較廣的機(jī)型6-9。對(duì)于水平軸潮流能機(jī)組而言，開展潮流能水輪機(jī)葉輪變槳角度對(duì)葉輪水動(dòng)力響應(yīng)影響方面的研究，可以為水輪機(jī)

3、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。李志川等人10對(duì)cfd技術(shù)在潮流能發(fā)電中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，并指出：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算數(shù)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，cfd必將逐步成為研究潮流能發(fā)電的主要手段。袁金雄11借助于數(shù)值模型，對(duì)不同推力系數(shù)條件下的尾流場(chǎng)的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：推力系數(shù)對(duì)尾流場(chǎng)具有顯著的影響，隨著推力系數(shù)的逐漸增大，尾流流速和尾流流速的恢復(fù)速度都隨之減小。li等12對(duì)單臺(tái)單樁式水平軸潮流能機(jī)組周邊的流場(chǎng)分布特性進(jìn)行了研究。辛小鵬等人13采用數(shù)值模擬開展了研究，模擬結(jié)果表明：當(dāng)上下游水輪機(jī)縱向間距在5d（5倍葉輪直徑）以內(nèi)時(shí)，上游機(jī)組的尾流對(duì)下游機(jī)組發(fā)電效率的影響較大;當(dāng)縱向間距增大到

4、30d時(shí)，尾流對(duì)發(fā)電效率的影響能顯著減小到可忽略的程度。譚俊哲等人14采用數(shù)值模型，研究了海底地形變化對(duì)潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力響應(yīng)的影響。mal-kir等15借助于數(shù)值模型，對(duì)潮流能水輪機(jī)發(fā)電效率與間距之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬分析。stallardt等人16通過采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)潮流能水輪機(jī)組尾流場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)和尾流影響區(qū)域等進(jìn)行了研究。macleodaj等人17采用數(shù)值模型，分析了潮流能水輪機(jī)葉輪安裝高度和葉輪軸向推力系數(shù)等因素對(duì)尾流場(chǎng)的影響。安佰娜18采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)035d范圍內(nèi)逐漸增加上下游潮流能水輪機(jī)間的縱向間距進(jìn)行了模擬分析，從而得到了不同縱向間距下水輪機(jī)間的影響規(guī)律;同時(shí)，還對(duì)潮流

5、能水輪機(jī)不同布置形式時(shí)的流速、壓強(qiáng)和紊流等水動(dòng)力要素的分布規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水平軸潮流能機(jī)組的研究，主要還是集中在潮流能機(jī)組尾流場(chǎng)空間的分布及多機(jī)組相互影響規(guī)律的研究上，而對(duì)于葉片變槳角度方面的研究則相對(duì)較少。對(duì)于上述問題，本文采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件flow-3d，針對(duì)單樁式水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組，模擬分析了葉片變槳角度對(duì)葉輪受力、葉輪獲能效率和尾流場(chǎng)等產(chǎn)生的影響。2數(shù)學(xué)模型在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，是以n-s方程為控制方程進(jìn)行水動(dòng)力模擬的。運(yùn)用gmo模塊來模擬剛體在流體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況，即剛體與流體間的流固耦合運(yùn)動(dòng);采用favor方法，利用簡(jiǎn)單的矩形網(wǎng)格來表示葉輪復(fù)雜的幾何形狀。2.

6、1水流控制方程以n-s方程作為流體運(yùn)動(dòng)控制方程，應(yīng)用流體體積法（vof）19，來跟蹤處理自由水面;采用大渦模擬（les）方法來模擬紊流運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量連續(xù)方程為公式式中，vf為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的體積百分，%;t為時(shí)間，s;p為流體密度，kg/m3;rsor為質(zhì)量源項(xiàng);rdif為擴(kuò)散項(xiàng);ax，ay，az分別為流體在x，y，z方向所占的面積百分比，%;u，v，w分別為流體在x，y，z方向的速度分量。x，y，z方向上的動(dòng)量守恒方程可以分別以如下形式表示：公式式中，gx，gy，gz分別為重力加速度在x，y，z方向的分量;uw，vw，ww。分別為與運(yùn)動(dòng)物體有關(guān)的速度源項(xiàng);fx，fy，fz分別為黏性力在x，

7、y，z方向的分量;us，vs，ws分別為與運(yùn)動(dòng)物體有關(guān)的相對(duì)質(zhì)量源項(xiàng)界面的流體速度，m/s;為質(zhì)量源的壓力類型，本文中取1，表示為靜態(tài)壓力類型的質(zhì)量源，此時(shí)根據(jù)質(zhì)量源的表面積和流量來計(jì)算流體的速度，而不需要提供額外的壓力使流體從質(zhì)量源中流出。2.2favor方法favor方法20是gmo模塊的核心組成部分。它利用簡(jiǎn)單的矩形網(wǎng)格來表示潮流能機(jī)組，特別是葉片的幾何外形、運(yùn)動(dòng)和位置，以及機(jī)組與黏性流體間的流固耦合。其控制方程如下：公式式中，vf為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的體積百分比，%;a為流體在網(wǎng)格單元內(nèi)所占的面積百分比，%;sm為流體質(zhì)量源項(xiàng)。2.3模型驗(yàn)證目前，該模型已被成功地應(yīng)用于單樁式水平軸潮

8、流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能的數(shù)值模擬研究21。本文將使用該模型，針對(duì)不同葉片變槳角度對(duì)水平軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力特性的影響開展分析研究，研究結(jié)果可為潮流能水輪機(jī)葉片變槳控制系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的科學(xué)依據(jù)。2.4模型建立潮流能水輪機(jī)葉輪的初始旋轉(zhuǎn)速度為0，將初始水深設(shè)置為50m，水體的上邊界取自由表面，不考慮其表面張力，水槽兩側(cè)為光滑的固體壁面邊界，以表面粗糙度為5的固定海床為底邊界。當(dāng)使用flow-3d熱啟動(dòng)功能的時(shí)候，首先需要利用flow-3d軟件建立一個(gè)與目標(biāo)工況水深和寬度相同且足夠長(zhǎng)的數(shù)值水槽，將通過足夠長(zhǎng)的時(shí)間獲得邊界層充分發(fā)展的水流作為目標(biāo)工況水槽中水的初始狀態(tài);然后結(jié)合“gridoverl

9、ay"邊界提供一個(gè)穩(wěn)定的進(jìn)口流速條件。在本文模擬中，數(shù)值水槽長(zhǎng)、寬和水深分別為300，100m和50m。根據(jù)具體算例，對(duì)x，y，z方向上的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行調(diào)試，網(wǎng)格整體布局原則是：在研究者關(guān)注的樁基礎(chǔ)和葉輪等重要位置進(jìn)行局部加密，而在其他位置則可以適當(dāng)調(diào)大尺寸?？傮w上而言，所選網(wǎng)格尺寸需要既能保證精確反映葉輪的幾何外形以及潮流能機(jī)組附近流場(chǎng)的分布，又要能保證計(jì)算效率網(wǎng)格不能太密。在選擇水輪機(jī)型號(hào)的時(shí)候，本文參照了舟山潮流能示范工程的實(shí)際情況，在本文三維數(shù)值模擬中：將葉輪葉片直徑選為19m，扇葉傾角（葉片平面與葉輪旋轉(zhuǎn)軸的夾角）分別為50°，60°和70°，將

10、葉輪密度選為2700kg/m3，采用直徑3m的圓柱為樁基礎(chǔ)。3葉片變槳角度的影響效應(yīng)為了研究葉片變槳角度對(duì)水輪機(jī)周邊流場(chǎng)和水輪機(jī)水動(dòng)力響應(yīng)的影響，在三維數(shù)值模型中（如圖1和圖2所示），考慮了3種不同的葉片變槳角度（如圖1所示，葉片變槳角指扇葉與旋轉(zhuǎn)軸的夾角，圖中為70°），分別為50°，60°，70°，在3種不同的變槳角度下，水輪機(jī)安裝高度不變，均設(shè)為30m，水深均為50m。3.1對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速和動(dòng)能的影響如圖3所示，圖中橫縱坐標(biāo)分別表示時(shí)間和葉輪轉(zhuǎn)速，在來流作用下，潮流能水輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速在很短的時(shí)間內(nèi)均由靜止達(dá)到了相對(duì)平衡的狀態(tài)。在不同葉片變槳角度時(shí)，水輪機(jī)

11、從靜止到相對(duì)平衡狀態(tài)所需時(shí)間有微小差別，變槳角度增大時(shí)，葉輪達(dá)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間也略有增加。當(dāng)變槳角度分別為50°，60°和70°時(shí)，對(duì)應(yīng)的葉輪平均轉(zhuǎn)速分別為0.96，1.18，1.51rad/s。變槳角度越大，葉輪轉(zhuǎn)速越快，相應(yīng)地從流場(chǎng)中獲取的平均動(dòng)能也越大。如圖4所示，圖中橫縱坐標(biāo)分別表示時(shí)間和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，當(dāng)變槳角度為50°時(shí)，其平均轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能約為1.08x106j。而當(dāng)變槳角度增大到60°時(shí)，其平均動(dòng)能增大到1.66x106j，增幅為53.7%。隨著變槳角度的進(jìn)一步增大，當(dāng)變槳角度為70°時(shí)，其平均動(dòng)能約為2.63x106j，

12、增幅為58.4%。模擬結(jié)果表明：葉片變槳角度對(duì)葉輪可獲取的最大能量有著顯著影響。在本文模擬的葉片變槳角度范圍內(nèi)，葉片變槳角度每增加10°，葉輪動(dòng)能約增加55%。3.2對(duì)水輪機(jī)各向受力的影響如圖5所示，圖中橫縱坐標(biāo)分別表示時(shí)間和葉輪的受力，葉片變槳角度對(duì)潮流能機(jī)組葉輪受力具有顯著影響。增加變槳角度會(huì)增加葉輪在來流方向（x軸方向）的投影面積，從而增加葉輪在來流方向（x軸方向）受到的水流作用力。由圖5可以看出，當(dāng)變槳角度分別為50°，60°和70°的時(shí)候，葉輪在x方向的受力平均值分別為7.88x105，1.22x106n和2.00x106n。變槳角度從50&#

13、176;增加到60°時(shí)，葉輪x方向受力的平均值增加了54.8%;從60°增加到70°時(shí)，該力增加了63.9%。在y方向和z方向上，變槳角度的增加對(duì)葉輪受力影響較小。在對(duì)葉輪進(jìn)行受力分析時(shí)，從工程的實(shí)際角度考慮，表1中分析了整個(gè)模擬過程中各向最大的水流作用力。隨著變槳角度的增大，x方向最大的水流作用力顯著增大，而y方向和z方向的最大水流作用力均減小了，可能的原因是隨著變槳角度的增加，葉輪在x方向的投影面積增大，而在y和z方向的投影面積減小了。在x方向，當(dāng)變槳角度由50°逐漸增加到60°和70°時(shí)，fx則由9.38x106n逐漸增加到1.

14、43x106n和2.25x106n，增幅分別為52.5%和57.3%。在y和z方向上，f，值總為負(fù)數(shù)，即沿y軸負(fù)方向，這是由于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的不對(duì)稱性而引起的。隨著變槳角度的增大，y和z方向的最大水流作用力均減小了，這是由于葉輪在y和z方向的投影面積減小了，從而導(dǎo)致這兩個(gè)方向的總水流作用力減小。3.3對(duì)水輪機(jī)尾流場(chǎng)和自由液面的影響本章節(jié)將針對(duì)葉片變槳角度對(duì)潮流能水輪機(jī)附近自由液面和流速分布形態(tài)的影響展開分析。為了清晰地對(duì)比葉片變槳角度對(duì)自由水面的水位線沿程變化規(guī)律的影響，圖6給出了水輪機(jī)中心z剖面水位線變化圖，圖中橫坐標(biāo)為x坐標(biāo)與葉輪直徑d的比值，水輪機(jī)位于x/d等于零處;縱坐標(biāo)表示水輪機(jī)放入前后水

15、面變化的程度：相對(duì)于水位為正值時(shí)，表示水位壅高，為負(fù)時(shí)表示水位下跌。從圖6中可以看出，對(duì)于不同的葉片變槳角度，水位線沿程變化規(guī)律總體，上是相同的，即水輪機(jī)上游（x/d為負(fù)值時(shí)）水位總是上升的，而下游（x/d為正值時(shí)）水位總是下降的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于水輪機(jī)阻礙了水流的運(yùn)動(dòng)，從而造成了.上游水位壅高，下游水位下跌。同時(shí)，由圖6和表2還可以看出，葉片變槳角度對(duì)水輪機(jī)上下游水位的升降程度有著顯著的影響。（1）當(dāng)葉片變槳角度為70°時(shí)，水輪機(jī)上游0.278d處（x/d=-0.278）有最大水位升高值為0.187m，水輪機(jī)下游0.995d處（x/d=0.995）的水位達(dá)最小值-0.112

16、m。（2）當(dāng)葉片變槳角度為60°時(shí)，水輪機(jī)上游0.235d處的最大水位升高值為0.103m，水輪機(jī)下游0.517d處的水位最小值為-0.043m。（3）當(dāng)葉片變槳角度為50°時(shí)，水輪機(jī)上游0.235d處的最大水位升高值為0.060m，水輪機(jī)下游0.493d處的水位最小值為-0.030m。由表2可以看出，當(dāng)葉片變槳角度分別從50°增加到60°和從60°增加到70°時(shí)，水輪機(jī)上游的最大水位值分別增加了71%和82%。同時(shí)，水輪機(jī)下游的最小水位值分別下降了43%和160%。總體而言，葉片變槳角度越大，上下游水位升高和降低的程度就越顯著，而且

17、發(fā)生最高和最低水位值的位置距水輪機(jī)也越遠(yuǎn)。圖7所示為3種葉片變槳角度（50°，60°，70°）下的尾流場(chǎng)中沿水流方向水輪機(jī)中心線上流速的沿程分布曲線圖。圖中的橫坐標(biāo)為x坐標(biāo)與葉輪直徑d的比值，水輪機(jī)位于x/d等于零處，因此，在x/d等于零處流速曲線不存在?？v坐標(biāo)表示流速時(shí)均值與來流速度的比值（無量綱值），入為正（負(fù)）時(shí)，表示流速方向與來流方向相同（相反）。由圖7可以看出，不同的葉片變槳角度時(shí)流速沿程變化的規(guī)律類似，上游來流流向水輪機(jī)時(shí)流速迅速減小，在水流通過水輪機(jī)后，尾流場(chǎng)中距離水輪機(jī)下游5d范圍以內(nèi)的流速有著顯著的改變，在水輪機(jī)下游1d附近時(shí)，相對(duì)流速值為負(fù)，這

18、表明水流會(huì)向與來流相反的方向流動(dòng)而形成漩渦;此后，當(dāng)水流逐漸遠(yuǎn)離水輪機(jī)時(shí)，尾流場(chǎng)的流速逐漸恢復(fù)。同時(shí)，通過對(duì)圖7及表3中不同葉片變槳角度時(shí)的流速沿程變化情況進(jìn)行對(duì)比，還可以看出：葉片變槳角度越大，水輪機(jī)下游附近流速減小的程度越大;但是，當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離水輪機(jī)時(shí)，流速恢復(fù)得卻越快。具體模擬分析數(shù)據(jù)如下：（1）在水輪機(jī)下游1d處，分別為0.21，-0.13和-0.25（分別對(duì)應(yīng)50°，60°和70°的變槳角度）。（2）水輪機(jī)下游2d處，分別為0.53，0.30和0.27（對(duì)應(yīng)的變槳角度同上），在水輪機(jī)下游2d范圍內(nèi)最大葉片變槳角度為70°時(shí)，流速減小的程度最大，流

19、速最小。（3）水輪機(jī)下游3d處，分別為0.61，0.45和0.50（對(duì)應(yīng)角度同上）。（4）水輪機(jī)下游4d處，分別為0.64，0.53和0.62（對(duì)應(yīng)角度同上），在水輪機(jī)下游3d至4d范圍附近，最大葉片變槳角度70°對(duì)應(yīng)的流速大于60°，同時(shí)小于50°（5）水輪機(jī)下游5d處，分別為0.67，0.60和0.73（對(duì)應(yīng)角度同上）。（6）水輪機(jī)下游10d處，分別為0.77，0.82和0.88（對(duì)應(yīng)角度同上）。（7）水輪機(jī)下游15d處，分別為0.86，0.92和0.92（對(duì)應(yīng)的角度同上），在水輪機(jī)下游距離大于5d處，最大葉片變槳角度70°對(duì)應(yīng)的流速最大。4結(jié)論本文

20、借助于三維水動(dòng)力軟件flow-3d建立了數(shù)值模型，并運(yùn)用該數(shù)值模型對(duì)于在均勻來流作用下的水平軸潮流能水輪機(jī)的水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模擬分析;同時(shí)，也對(duì)葉片變槳角度對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)能、水流作用力和尾流場(chǎng)的影響開展了研究?；跀?shù)值分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論。（1）葉片變槳角度對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪可獲取的最大能量有著顯著的影響。在本文模擬分析中，葉片變槳角度每增加10°，葉輪動(dòng)能約增加55%。（2）葉片變槳角度對(duì)葉輪x方向（來流方向）受力有著顯著的影響。在本文模擬分析中，葉片變槳角度每增加10°，葉輪x方向的受力平均值約增加60%，最大值約增加55%;在y和z方向，變槳角度的增加對(duì)葉輪受力

21、的影響較小。總體而言，隨著變槳角度的增大，y和z方向的最大水流作用力略有減小。（3）葉片變槳角度越大，水輪機(jī)下游附近（約2d范圍內(nèi)）的流速減小程度越大，尾流流速越小;同時(shí)，當(dāng)水流逐漸遠(yuǎn)離水輪機(jī)時(shí)（約5d以外），較大的葉片變槳角度所對(duì)應(yīng)的尾流恢復(fù)速度更快，而且尾流流速更大。參考文獻(xiàn)：1khan m j，bhuyan g，lqbal m t，et al.hydrokinetic energy conversion systems and assessment of horizontal and vertical axis turbines forriver and tidal applicatio

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25、on of flow motion and performance of a horizontal axis tidal turbine subjected to a steady currentj.china ocean engineering，2015，29（2）：209-222.13辛小鵬，邵雪明，鄧見，等，串列布置雙轉(zhuǎn)子海流機(jī)水動(dòng)力性能預(yù)測(cè)j.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，45（7）：1227-1231.14譚俊哲，李仁軍，司先才，等.海底地形對(duì)潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)性能影響數(shù)值模擬研究j.海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，37（1）：94-101.15malki r，masters i，wil

26、liams a j，et al.the influence of tidalstream turbine spacing on performancec/ 9th european waveand tidal energy conference（ewtec）.2011：3-9.16stallard t，collings r，feng t，et al.interactions between tidal turbine wakes：experimental study of a group of3-bladed rotorsc/proceedings of 9th european wave a

27、nd tidal energy conference（ewtec），2011.17macleod a j，barnes s，rados k c，et al.wake effects in tidalcurrent turbine farmsc/ international conference on marine renewable energy-conference proceedings，2002：49-53.18安佰娜.潮流能發(fā)電廠尾流場(chǎng)數(shù)值模擬及其多機(jī)組影響規(guī)律研究d.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2012.19barkhudarov m r.lagrangian vof advection m

28、ethod for flow-3dj.flow science inc，2004，1（7）：1-11.20hirt c w，sicilian j m.a porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshesc/ proceedings of fourth int.conf.ship hydrodynamics，1985.21haydar f h，ahmed e s，othman a k.tidal current turbinesglance at the past and look into

29、 future prospects in malaysiaj.renewable and sustainable energy reviews，2012，16（8）：5707-5717.引用本文：顧振華.水平軸潮流能水輪機(jī)葉片變槳角度研究j.人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：205-210.study on influence of blade pitch angle on response of horizontal-axis tidal stream turbinegu zhenhua（shanghai investigation，design & research institute，shanghai 200434，china）abstract：a 3d hydrodynamic model based on flow-3d is developed in this p