王　凱，孫　科，張　亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

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不同密實(shí)度垂直軸潮流能水輪機(jī)的相位干擾

王凱，孫科，張亮

(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

摘要:為研究不同密實(shí)度雙機(jī)組垂直軸潮流能水輪機(jī)在不同初始相位角下的水動(dòng)力性能，采用CFD數(shù)值模擬方法得到各個(gè)水輪機(jī)組的效率曲線變化規(guī)律，并通過分析不同密實(shí)度水輪機(jī)在不同初始相位角下的壓力云圖和渦量圖，解釋變化機(jī)理.研究結(jié)果表明：相位角對(duì)不同密實(shí)度雙機(jī)組水輪機(jī)的效率影響規(guī)律相似，隨著相位角的增大，1號(hào)機(jī)組中高速比效率逐漸減小，而2號(hào)機(jī)組效率隨著相位角增加而增大；當(dāng)不同密實(shí)度水輪機(jī)處于中間相位角時(shí)，兩個(gè)機(jī)組的效率基本一致，有利于電能輸送，且此時(shí)機(jī)組受到的壓力最小.所以不同密實(shí)度潮流能雙機(jī)組水輪機(jī)應(yīng)選取中間相位角為最優(yōu)相位角.

關(guān)鍵詞:垂直軸潮流能水輪機(jī)；雙機(jī)組；密實(shí)度；CFD;初始相位角;水動(dòng)力性能

自從第3次科技革命以來，能源成為各個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)命脈.我國是一個(gè)能源生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，擁有豐富的化石能源資源[1].在經(jīng)濟(jì)高速增長的條件下，我國能源的消耗速度比其他國家更快，能源枯竭的威脅可能來得更早、更嚴(yán)重[2].可再生能源的開發(fā)利用更加迫在眉睫，潮流能作為海洋可再生能源的一種，以其可持續(xù)、密度大、可預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)受到人們的青睞[3-4].

垂直軸潮流能水輪機(jī)由于旋轉(zhuǎn)方向不受來流影響、葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易加工、工作速比低不易產(chǎn)生空化的優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注.本文采用的垂直軸水輪機(jī)屬于升力型，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要來自葉片的升力.在葉片旋轉(zhuǎn)一周的過程中，葉片實(shí)際來流速度為遠(yuǎn)方水流速度與旋轉(zhuǎn)速度兩者的疊加，葉片的升阻力會(huì)隨著葉片位置角變化而變化，升力沿軌跡圓切線的分量是驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?和渦方法、流管法相比，CFD方法能夠獲得更多的流場(chǎng)瞬時(shí)信息，且隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展計(jì)算精度更加精確，所以CFD方法在垂直軸水輪機(jī)的應(yīng)用非常廣泛[5-8].迄今為止研究人員對(duì)單個(gè)垂直軸水輪機(jī)的研究已經(jīng)取得了諸多成果，但隨著能源需求加大，潮流能水輪機(jī)必將進(jìn)入到雙機(jī)組乃至多機(jī)組共同工作發(fā)電的時(shí)代.雙機(jī)組垂直軸潮流能水輪機(jī)的研究還處于起步階段，文獻(xiàn)[9-10]利用渦方法和實(shí)驗(yàn)方法研究水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、水輪機(jī)間距和來流攻角對(duì)水輪機(jī)效率的影響，得出這3個(gè)因素變化時(shí)會(huì)對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)矩振動(dòng)方面存在有利和有害干擾.文獻(xiàn)[11]對(duì)四葉片對(duì)轉(zhuǎn)雙機(jī)組垂直軸水輪機(jī)進(jìn)行水動(dòng)力性能研究，當(dāng)2個(gè)直徑為4m、水輪機(jī)間距為0.5m時(shí)效率最大.文獻(xiàn)[12-13]分別對(duì)垂直軸水輪機(jī)機(jī)群進(jìn)行了模擬，繪制了不同排布形式的水輪機(jī)群效率與葉尖速比的曲線，為多機(jī)組的水輪機(jī)排布提出了意見.

文獻(xiàn)[9]提出初始相位角的不同對(duì)水輪機(jī)的水動(dòng)力性能會(huì)產(chǎn)生影響，但它們并沒有對(duì)其進(jìn)行研究分析.本文針對(duì)該問題利用CFX軟件進(jìn)行垂直軸潮流能水輪機(jī)的初始相位角研究，通過改變水輪機(jī)的葉片數(shù)來改變密實(shí)度，對(duì)比不同相位角對(duì)兩個(gè)機(jī)組的效率-速比曲線的影響，并對(duì)不同相位角的壓力云圖進(jìn)行分析比較.

1理論基礎(chǔ)

垂直軸水輪機(jī)來流速度為v，水輪機(jī)直徑為D，半徑為R,葉片數(shù)為Z，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，垂直軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中某一時(shí)刻單個(gè)葉片的運(yùn)動(dòng)如圖1所示(以三葉片為例)，θ為葉片位置角，本文中的水輪機(jī)屬于固定偏角式水輪機(jī)[14].

為了方便分析，定義量綱一的參數(shù)如下:

Ct=Ft/(0.5ρv2Cb),

Cn=Fn/(0.5ρv2Cb),

式中：Ft為葉片切向力，N；Fn為葉片法向力，N； C為弦長，m；b為展長，m； M為水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩，Nm； ω為水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

圖1　葉片的運(yùn)動(dòng)分析

2CFX數(shù)值模擬

2.1方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所選用的CFX軟件在模擬垂直軸潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力性能的可靠性，選取經(jīng)典單個(gè)垂直軸水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對(duì)比.1979年，美國德克薩斯科技大學(xué)的Strickland教授為了方便測(cè)量和記錄，將垂直軸風(fēng)機(jī)葉片在水池中進(jìn)行實(shí)驗(yàn).選取其中一種兩葉片垂直軸模型進(jìn)行對(duì)比，模型直徑D為1.22m，葉片翼型NACA0012，密實(shí)度為0.048，速比為7.5.對(duì)選取的水輪機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，方法參照李志川[14]在垂直軸水輪機(jī)的數(shù)值模擬研究中給出入口邊界條件為速度入口，出口為壓力出口，計(jì)算場(chǎng)域邊界為自由滑移邊界，葉片表面選用無滑移邊界條件，湍流模型選取SST模型，計(jì)算時(shí)間步長為旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)3°時(shí)所需的時(shí)間，計(jì)算15個(gè)周期使計(jì)算結(jié)果充分收斂.模型旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)為31 630，外域網(wǎng)格數(shù)為20 960，旋轉(zhuǎn)域中葉片周圍網(wǎng)格加密作為邊界層，第1層網(wǎng)格高度為葉片弦長的0.001倍，有利于提高技術(shù)精度.

將CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖2所示.從圖2中可以看出，法向力系數(shù)曲線和切向力系數(shù)曲線在總體趨勢(shì)上擬合程度較高.法向力系數(shù)平均值誤差為4.9%，切向力系數(shù)平均值誤差為2.1%，誤差小于5%，因此驗(yàn)證了本文CFD方法的可行性.

圖2　實(shí)驗(yàn)值和CFD結(jié)果對(duì)比曲線

2.2雙機(jī)組水輪機(jī)模型

本文采用了哈爾濱工程大學(xué)自行設(shè)計(jì)的雙機(jī)組垂直軸潮流能水輪機(jī)模型.單機(jī)直徑D=4m，翼型為NACA0018，弦長C=0.6m，兩機(jī)組間距為0.6m，葉片數(shù)Z=2、3、4，密實(shí)度分別為0.095 5、0.143 0、0.191 0這3種密實(shí)度不同的雙機(jī)組垂直軸水輪機(jī)，水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，如圖3所示.

圖3　不同密實(shí)度水輪機(jī)網(wǎng)格

雙機(jī)組水輪機(jī)在初始時(shí)刻的相位角定義以二葉片為例，如圖4所示.機(jī)組分為1號(hào)、2號(hào)機(jī)組，1號(hào)機(jī)組葉片2弦長與水流方向平行(即不同葉片數(shù)的一號(hào)機(jī)組始終有一個(gè)葉片在位置角270°)，2號(hào)機(jī)組定義葉片3軸心到葉輪軸心的連線和Y軸方向夾角為相位角，用σ表示，如圖4所示相位角為30°.即在改變相位角時(shí)，只有2號(hào)機(jī)組的葉片位置在變化，1號(hào)機(jī)組葉片位置不變.兩葉片水輪機(jī)的相位角σ為0°、30°、60°、90°、120°、150°，中間相位角為90°.三葉片水輪機(jī)的相位角σ為0°、30°、60°、90°，中間相位角為60°.四葉片水輪機(jī)的相位角σ為0°、15°、30°、45°、60°、75°，中間相位角為45°.另外計(jì)算單個(gè)機(jī)組水輪機(jī)在敞水域中的水動(dòng)力模型作為對(duì)比，用single表示.

圖4　初始相位角定義

3結(jié)果分析與比較

本文利用CFX軟件模擬雙機(jī)組垂直軸潮流能水輪機(jī)在敞水域中的運(yùn)行狀態(tài)，來流速度為 vA=3m/s,葉尖速比分為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5共9個(gè)工況.

如圖5所示，密實(shí)度不同的雙機(jī)組水輪機(jī)的初始相位角在變化時(shí)，各個(gè)機(jī)組的效率曲線都會(huì)有相應(yīng)變化.通過對(duì)比圖5(a)～(f)的效率變化曲線可以看出，雙機(jī)組的各個(gè)水輪機(jī)效率明顯比單個(gè)機(jī)組的效率要高，特別在中高速比時(shí)更加明顯；不同密實(shí)度的水輪機(jī)效率曲線隨相位角變化的規(guī)律相似：在不考慮相位角為0°時(shí)的情況下，1號(hào)機(jī)組隨著初始相位角的變大，中高速比下的效率逐漸減小，2號(hào)機(jī)組隨著初始相位角的變大，中高速比下的效率逐漸變大.相位角為0°時(shí)，兩個(gè)機(jī)組的效率曲線和中間相位角效率曲線基本重合，即兩葉片水輪機(jī)的0°相位角效率曲線和90°相位角效率曲線相近，三葉片水輪機(jī)的0°相位角效率曲線和60°相位角效率曲線相近，四葉片0°相位角效率曲線和45°相位角效率曲線相近.

如圖6為兩葉片雙機(jī)組水輪機(jī)在不同相位角下的兩個(gè)機(jī)組和單機(jī)組敞水域的效率曲線對(duì)比曲線，從圖6(a)～(d)中可以看出，相位角的變化對(duì)雙機(jī)組水輪機(jī)兩個(gè)機(jī)組的效率有很大影響.0°相位角時(shí)兩個(gè)機(jī)組效率曲線相近，基本重合.30°時(shí)兩個(gè)機(jī)組效率差最大，隨著相位角的增大，兩個(gè)機(jī)組的效率差逐漸減小，到90 °相位角時(shí)兩個(gè)機(jī)組效率曲線基本重合，隨著相位角持續(xù)增大，兩個(gè)機(jī)組間的效率差逐漸變大，到150°時(shí)達(dá)到最大.所以相位角從30°～150°，兩葉片雙機(jī)組水輪機(jī)的兩個(gè)機(jī)組間的效率差先減小后增大，在相位角為90°時(shí)效率最接近.相位角為90°時(shí)，1號(hào)機(jī)組的葉片2和2號(hào)機(jī)組的葉片3間距最遠(yuǎn)，兩葉片之間的干擾較小，使兩個(gè)機(jī)組的效率相互影響較小，發(fā)電功率相近.在雙機(jī)組水輪機(jī)實(shí)際工作中兩個(gè)機(jī)組發(fā)電功率相近更有利于電能的輸出控制[15]，所以從這方面考慮選取0°和90°相位角較優(yōu).

如圖7(a)為三葉片雙機(jī)組水輪機(jī)在60°相位角時(shí)的效率對(duì)比圖，從圖中可以看出此相位角下，兩個(gè)機(jī)組效率曲線基本重合；圖7(b)為四葉片雙機(jī)組水輪機(jī)在45°相位角時(shí)的效率對(duì)比圖，此時(shí)兩個(gè)機(jī)組的效率也基本相同.通過對(duì)比不同相位角下的效率變化情況，三葉片和四葉片雙機(jī)組水輪機(jī)兩個(gè)機(jī)組效率的變化規(guī)律和兩葉片的相同.不同密實(shí)度的雙機(jī)組水輪機(jī)效率隨相位角變化規(guī)律相同.隨著相位角增大，兩個(gè)機(jī)組之間的效率差逐漸變小，當(dāng)達(dá)到中間相位角時(shí)，效率差基本為0，相位角繼續(xù)增大，效率差逐漸變大.所以不同密實(shí)度水輪機(jī)在對(duì)應(yīng)的中間相位角時(shí)，兩個(gè)機(jī)組效率相近，有利于電能的輸出控制.

如圖8為兩葉片雙機(jī)組水輪機(jī)在不同初始相位角情況下， 選取2號(hào)機(jī)組的葉片在同一位置角時(shí)的壓力云圖進(jìn)行對(duì)比分析.從圖8中可以明顯看出在相位角為0°、30°、120°、150°的情況下，兩個(gè)機(jī)組之間的葉尖高壓區(qū)域相互連接，說明此相位角時(shí)的兩機(jī)組葉片距離較近影響較大，60°時(shí)的兩個(gè)機(jī)組高壓區(qū)域未連接但高壓區(qū)域遠(yuǎn)大于90°中間相位角.通過分析各相位角的壓力云圖，90°相位角時(shí)兩個(gè)葉輪的高壓區(qū)域沒有相互連接且高壓區(qū)域最小，則90°相位角時(shí)兩個(gè)葉輪受到的壓力最小，且兩個(gè)葉輪間相互影響最小.

圖5　不同密實(shí)度水輪機(jī)組的效率隨相位角變化規(guī)律曲線

圖6　兩葉片水輪機(jī)的兩個(gè)機(jī)組的效率曲線對(duì)比圖

圖7　三、四葉片水輪機(jī)中間相位角效率曲線

圖8　 兩葉片雙機(jī)組水輪機(jī)不同相位角壓力云圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

如圖9為三葉片雙機(jī)組水輪機(jī)在中間相位角60°和四葉片水輪機(jī)在中間相位角45°時(shí)葉尖高壓區(qū)域最小且兩個(gè)機(jī)組高壓區(qū)域未連接，和兩葉片雙機(jī)組水輪機(jī)的規(guī)律相符，在各自中間相位角時(shí)兩個(gè)機(jī)組葉片之間相互影響最小且受到的壓力最小.圖10 為不同密實(shí)度雙機(jī)組水輪機(jī)的渦量圖.從圖10中可以看出，雙機(jī)組水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)葉片都有尾渦的脫落，脫落的尾渦隨著水流向下游運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)遇到其他葉片產(chǎn)生的尾渦，使這一區(qū)域水流復(fù)雜，兩個(gè)水輪機(jī)之間的區(qū)域明顯受到脫落的尾渦的相互影響，使經(jīng)過這一區(qū)域的葉片前緣水流速度發(fā)生變化，導(dǎo)致水輪機(jī)效率發(fā)生變化，并且使葉片的壓力增大，對(duì)水輪機(jī)組的安全性有一定影響.

圖9　三、四葉片雙機(jī)組水輪機(jī)壓力云圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

圖10　不同密實(shí)度水輪機(jī)的渦量圖

注：彩圖見電子版(http://hit.alljournals.cn)(2016年第8期)

在各個(gè)不同密實(shí)度的雙機(jī)組水輪機(jī)處于各自的中間相位角時(shí)，葉片之間相互影響較小，受到的壓力較小，選取中間相位角作為初始相位角能夠提高水輪機(jī)組的安全性，增加水輪機(jī)運(yùn)行的壽命.

4結(jié)論

1)不同密實(shí)度的雙機(jī)組垂直軸水輪機(jī)的初始相位角對(duì)各個(gè)機(jī)組的效率影響較大，不考慮0°相位角情況下，隨著相位角的變大，1號(hào)機(jī)組在中高速比的效率逐漸變小，2號(hào)機(jī)組的效率逐漸變大，這樣可以通過調(diào)節(jié)相位角來控制兩個(gè)機(jī)組的功率輸出，以達(dá)到對(duì)功率輸出的要求.

2)不同密實(shí)度的雙機(jī)組水輪機(jī)在中間相位角時(shí)效率差基本為0，隨著相位角增大或減小，效率差都會(huì)增大，兩個(gè)機(jī)組間發(fā)電功率差距變大，不利于電能輸出控制.

3)中間相位角時(shí)，機(jī)組葉尖高壓區(qū)域最小，且兩個(gè)機(jī)組的高壓區(qū)域沒有相連，兩個(gè)機(jī)組葉輪間相互影響較小.選取中間相位角作為初始相位角能夠減小葉尖壓力，提高水輪機(jī)使用壽命.

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(編輯張紅)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.030

收稿日期:2015-03-23

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51209060, 11572094);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20122304120035);黑龍江省自然科學(xué)基金(E2016021);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金(2015RQQXJ014)

作者簡(jiǎn)介:王凱(1989—) 男，博士研究生；

通信作者:孫科，sunke@hrbeu.edu.cn

中圖分類號(hào):TK730;O352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)08-0179-06

Impactionofinitialphaseangleonperformanceoftheverticalaxistidalturbineswithdifferentdensity

WANGKai，SUNKe，ZHANGLiang

(DeepwaterEngineeringResearchCenter,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:In order to examine the impaction of different initial phase angles on the hydrodynamic performance of vertical axis tidal twin-turbine with different densities, this paper used CFD numerical simulation method to obtain the variation law of efficiency curves, and then explained the change mechanism through the detail analysis of the pressure diagram and vorticity graph of different density vertical axis tidal turbine with different phase angles. The results show that the influences of the phase angle on different density twin-turbine are similar. With the increase of phase angle, the efficiency of unit 1 with middle and high ratios is reduced gradually, unit 2 is the exact opposite of unit 1; When different density tidal turbine works at the respective middle phase angle, the efficiency of unit 1 and unit 2 of almost the same, which benefits the power delivery. Moreover, middle phase angles minimize the pressure of units. So the respective middle phase angle should be chosen as the optimal phase angle for different density tidal twin-turbines.

Keywords:vertical axis tidal turbine；twin turbine；density；CFD；initial phase angle；hydrodynamic performance

張亮(1959—) 男，教授，博士生導(dǎo)師