張　歡，程帥兵，陳　兵

（大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧　盤錦 124221）

配有導(dǎo)流涵道的垂直軸潮流能水輪機的水動力性能研究

張歡，程帥兵，陳兵*

（大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧盤錦 124221）

垂直軸潮流能水輪機具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)任意流向等優(yōu)點，但其能量轉(zhuǎn)換效率低于水平軸水輪機，在運行時有較大的轉(zhuǎn)矩脈動，不利于水輪機的平穩(wěn)運行，易引起結(jié)構(gòu)疲勞。本文針對垂直軸潮流能水輪機的運行特點，提出了一種導(dǎo)流涵道裝置，利用數(shù)值模擬方法對比分析水輪機在有無導(dǎo)流涵道裝置情況下的水動力性能。結(jié)果表明，導(dǎo)流涵道可以起到整流的作用，使流體在水輪機盤面內(nèi)的流動更加平順。另外，導(dǎo)流涵道裝置不僅可以提高水輪機的能量利用率，還能有效改善作用在水輪機葉片上的水力驅(qū)動力矩脈動和轉(zhuǎn)速脈動，改善了水輪機運行狀態(tài)，提高了結(jié)構(gòu)可靠性。

垂直軸水輪機；導(dǎo)流涵道；數(shù)值模擬；能量利用率

資源與能源是人類生存和發(fā)展所必須面對的問題之一。隨著化石能源的過度消耗，環(huán)境問題的日益惡化，人們不得不將目光轉(zhuǎn)向那些可再生能源，如風(fēng)能、太陽能、海洋能等。潮流能不僅是一種清潔能源，而且與其他海洋能相比，具有可預(yù)測性高、能量密度大的特點，因此逐漸受到世界各國研究人員的重視。目前，許多沿海國家，如英國、加拿大、美國、韓國等正在大力開發(fā)潮流能資源。我國同樣也投入大量的人力和財力對這一領(lǐng)域進行研究。然而，由于經(jīng)濟因素及技術(shù)因素的制約，潮流能發(fā)電目前還未能到商業(yè)化階段。

潮流能水輪機可分為水平軸式和垂直軸式；水平軸潮流能水輪機被認(rèn)為是能量利用率最高的潮流能發(fā)電裝置，據(jù)報告其能量利用率可以達到48%［1］。但是，水平軸水輪機必須時刻使葉輪面向來流方向；另外，水平軸水輪機的葉片表面形狀是復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)曲面，加工較困難。與之相比，垂直軸水輪機可以在任意來流方向下運行，不需要變向調(diào)控裝置，結(jié)構(gòu)更加簡單，具有其自身的優(yōu)勢。

垂直軸式按驅(qū)動力類型可分為阻力型和升力型。較著名的Savonius垂直軸水輪機是一個典型的阻力型潮流能發(fā)電裝置，這種裝置通常在低流速條件下運行，人們曾做過大量的嘗試來優(yōu)化它的效率，但被記錄過的最大效率只有20%［2］。而升力型垂直軸水輪機的效率比阻力型高，通過已知記錄的數(shù)據(jù)可以了解到，該型水輪機效率可達到33%［3］。

目前，研究潮流能水輪機水動力性能的方法主要有兩種：模型實驗和數(shù)值模擬。數(shù)值模擬不受比尺效應(yīng)影響、成本低、可記錄全面的流場信息，已逐漸發(fā)展成為不可或缺的研究手段。國內(nèi)外研究人員利用不同的模擬方法，對垂直軸潮流能水輪機的水動力性能進行了研究。Lam和Dai等［4］分析了不同形式的直葉片的水動力性能；Hwang等［5］利用粘性CFD方法研究了直葉片水輪機在固定轉(zhuǎn)速下不同葉片數(shù)量、葉尖速比及攻角對水輪機水動力性能及能量利用率的影響；Li等［6］使用UBC離散渦方法分析了不同葉尖速比情況下水輪機的輸出功率及扭矩波動情況。Le［7］利用粘性CFD方法分析了水輪機在給定負(fù)載力矩下的水動力性能。

潮流的功率與流速的三次方成正比［8］，相比于風(fēng)能，雖然潮流的能流密度大，但流速較低。為了提高潮流的流速，許多學(xué)者將應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中的導(dǎo)流涵道裝置引入到潮流能發(fā)電領(lǐng)域，用以提高水輪機的輸出功率。導(dǎo)流涵道裝置主要有兩種形式：一種為首尾對稱形式，其考慮到潮流流向的往復(fù)性特點，將導(dǎo)流涵道的入流段與出流段的型線設(shè)計成對稱形式，使其在雙向來流下均可獲得一定的增速效果。張亮，Wan，Setoguchi等學(xué)者［9-11］曾研究了對稱式導(dǎo)流涵道各個參數(shù)對增速性能的影響。另一種是非對稱形式的導(dǎo)流涵道，其是將導(dǎo)流涵道裝置的出流段型線設(shè)計成向外擴張的形式，當(dāng)水流流過裝置時，會在出流段附近形成一個低壓區(qū)，前后壓差產(chǎn)生的抽吸效果可以使通過水輪機的潮流流速增加，進而提高水輪機輸出功率。Ponta［12］設(shè)計了一款尾部擴張形式的導(dǎo)流涵道，并通過實驗方法對其水動力性能進行了分析；Alidadi［13］利用軟件對導(dǎo)流涵道外形進行了優(yōu)化，并通過實驗進行了驗證；Malipeddi［14］比較了不同參數(shù)下導(dǎo)流涵道的水動力性能；Cosoiu［15］將由多塊NACA葉片組成的水平軸風(fēng)機的導(dǎo)流涵道引入到垂直軸潮流能水輪機上，并研究其對水輪機水動力性能的影響。

當(dāng)導(dǎo)流涵道中不放置水輪機時，通常涵道內(nèi)的流速會大于來流流速。但涵道中放置水輪機后，若水輪機對水流的阻力太大，水流也可能繞過涵道從周圍流走，反而使涵道內(nèi)流速減小。因此水輪機和導(dǎo)流涵道的相互匹配是需要進行系統(tǒng)研究的。

2011-2013年，大連理工大學(xué)海洋能研究團隊在中國國家海洋局公益項目的資助下，曾在大連長山島海域開展了15 kW潮流能水輪機發(fā)電項目，開發(fā)的垂直軸水輪機發(fā)電裝置在試運行期間運行良好［16-17］。本文采用與之前在海洋局項目中所使用的相類似的潮流能水輪機，并提出采用導(dǎo)流涵道裝置的改進方案。通過數(shù)值模擬方法對比分析水輪機在有無導(dǎo)流涵道情況下的水動力性能，驗證了裝置在增速方面的效果。這為之后的水輪機及導(dǎo)流涵道裝置的設(shè)計與研究提供一定的參考。

1　模型及參數(shù)

1.1垂直軸水輪機設(shè)計參數(shù)

表1　垂直軸水輪機設(shè)計參數(shù)

1.2導(dǎo)流涵道參數(shù)

導(dǎo)流涵道采用非對稱式結(jié)構(gòu)。首端為光滑的弧形曲面，可避免偏向來流造成流線分離；尾端為向外擴張形式的結(jié)構(gòu)，其具體形式和尺寸參數(shù)如圖1所示，單位為m。

圖1　導(dǎo)流涵道模型

2　研究方法

2.1原理介紹

目前對潮流水輪機的數(shù)值模擬，大多采用兩種方法：一種是讓水輪機以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)來分析它的水動力性能，這是一種簡化的方法，與水輪機真實的運行狀態(tài)存在一定的差異；另一種是讓水流驅(qū)動葉輪，帶動水輪機旋轉(zhuǎn)。在這種方法中，水輪機的轉(zhuǎn)速是變化的，其大小由水輪機自身的轉(zhuǎn)動慣量、作用在葉片上的水力驅(qū)動力矩及水輪機輸出端的負(fù)載力矩所決定［7］。

水輪機運動方程式（1）所示：

式中：J為垂直軸水輪機的轉(zhuǎn)動慣量；θ''為水輪機旋轉(zhuǎn)角加速度；MF為各葉片上所產(chǎn)生的水力驅(qū)動力矩之和；MA為水輪機輸出端的負(fù)載力矩。

水輪機輸出端的負(fù)載力矩可由式（2）確定［18］：

式中：ω為水輪機的轉(zhuǎn)速；b為與負(fù)載有關(guān)的一個常數(shù)，稱為負(fù)載系數(shù)。

由于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動角速度不是恒定的，因此水輪機的輸出功率也是隨時間變化的，功率可以用下列參數(shù)進行計算，公式如下：

式中：ω為水輪機的旋轉(zhuǎn)角速度，平均輸出功率Pm可通過對瞬時功率P進行時間平均求得。

水輪機的能量利用率為：

式中：ρ為流體密度；V為自由來流速度；S為水輪機迎流面積。

定義尖速比λ為：

式中：R為水輪機葉輪的旋轉(zhuǎn)半徑。

2.2數(shù)值模擬方法

本文采用二維CFD方法對問題進行分析。通過對不同網(wǎng)格數(shù)量和計算流體域尺寸進行無關(guān)性校驗后，確定的尺寸方案如圖2所示。

圖2　計算域及網(wǎng)格系統(tǒng)

圖2（a）為水輪機的計算域示意圖。流體域被分為兩部分，一部分為包含水輪機的旋轉(zhuǎn)域，其直徑為4.4 m，其余部分為固定域，兩個域的交界面采用滑移網(wǎng)格方式進行數(shù)據(jù)傳遞。設(shè)旋轉(zhuǎn)域直徑為D，計算流體域最左端為流體入口邊界，其到旋轉(zhuǎn)域最前端的距離為5倍D；計算流體域最右端為流體出口邊界，到旋轉(zhuǎn)域的距離為15倍D；上下兩端為對稱邊界，到旋轉(zhuǎn)域的距離為10倍D。

圖2（b）為帶導(dǎo)流涵道水輪機的計算域示意圖。設(shè)導(dǎo)流涵道的長為L，寬為B，流體域入口邊界到導(dǎo)流涵道首端的距離為5倍L，出口邊界到導(dǎo)流涵道尾端的距離為15倍L，上下對稱邊界到導(dǎo)流涵道上下兩端的距離為10倍B。

采用基于有限體積法求解N-S方程的ANSYS FLUENT軟件作為流體求解器，并利用基于壓力校正法的雷諾平均N-S模型來計算非穩(wěn)態(tài)條件下的流體特性；入口邊界設(shè)置為v=2 m/s的速度入口；出口邊界則設(shè)置為相對壓力P=0的壓力出口；固定域與旋轉(zhuǎn)域的交界面設(shè)置成滑移邊界條件用以在界面上傳遞數(shù)據(jù)；湍流模型采用SST-k-ω模型；時間步長設(shè)置為0.000 3 s；網(wǎng)格方案為分區(qū)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量為100萬左右；采用ANSYS FLUENT軟件本身提供的UDF宏并結(jié)合水輪機的運動方程來控制水輪機的旋轉(zhuǎn)運動。

在某一流速下，水輪機的輸出功率與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載系數(shù)b即體現(xiàn)了負(fù)載的大小?？紤]到本文主要目的是探究水輪機在有無導(dǎo)流涵道下的運動規(guī)律及導(dǎo)流涵道的增速效果。因此，只對負(fù)載系數(shù)b=6 300進行分析。在計算過程中監(jiān)測了流場的壓力變化情況及水輪機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、能量利用率等的變化情況。

3　結(jié)果分析

圖3為有水輪機存在的情況下導(dǎo)流涵道周圍的壓力分布云圖。從圖中可以看出，有導(dǎo)流涵道存在的情況下，在導(dǎo)流涵道內(nèi)部的前半段及向前延伸的部分區(qū)域內(nèi)，這部分流體的壓力明顯高于涵道上游來流的壓力，而涵道兩側(cè)流體的壓力小于上游來流的壓力。因此，當(dāng)上游來流遇到高壓的涵道區(qū)域后，在壓差的作用下，會形成一個向外流動的趨勢，而由于涵道兩側(cè)的壓力較低，會使這部分外流的流體繞過涵道，并從其兩側(cè)加速流過。如圖4所示。

圖3　有導(dǎo)流涵道情況下的壓力云圖

圖4　有導(dǎo)流涵道情況下的流線圖

在圖4中可以明顯觀察到，上游流體在到達導(dǎo)流涵道之前就已經(jīng)發(fā)生了向兩側(cè)分流的現(xiàn)象，而且越接近涵道首端，分流的情況越明顯。

導(dǎo)流涵道首端8.29 m寬度的迎流截面及喉部5.40 m寬度的迎流截面的自由來流質(zhì)量流量的理論值分別為16 580 kg/s和10 800 kg/s。而通過監(jiān)測導(dǎo)流涵道喉部來流截面的質(zhì)量流量發(fā)現(xiàn)，流過喉部的流量為7 000 kg/s左右，該值不僅遠低于整個導(dǎo)流涵道迎流橫截面所對應(yīng)的自由來流流量，而且還小于喉部截面尺寸下自由來流的流量。如圖5所示。

圖5　通過導(dǎo)流涵道喉部截面的質(zhì)量流量

對輸出功率進行時間平均，求得水輪機在有無導(dǎo)流涵道情況下的能量利用率，如表2所示。

表2　水輪機的能量利用率

根據(jù)之前分析得出的結(jié)論，導(dǎo)流涵道內(nèi)的流量遠遠低于自由來流時的流量，流量的降低通常會導(dǎo)致能量提取效率的降低。然而從表2中可以看出，當(dāng)負(fù)載系數(shù)b取6 300時，單獨的水輪機的能量提取效率可以達到46%，而當(dāng)加上導(dǎo)流涵道后，效率在原來的基礎(chǔ)上提升了0.26倍，達到了58%。這是因為，導(dǎo)流涵道不僅僅只是通過提高流量、增加流速來增大水輪機的能量提取效率，它還起著整流的作用。在無導(dǎo)流涵道存在的情況下，水輪機上游盤面內(nèi)的流體向兩側(cè)流動的趨勢比較明顯，如圖6（a）所示。而當(dāng)將水輪機置于導(dǎo)流涵道內(nèi)部時，由于有導(dǎo)流涵道內(nèi)壁的阻擋作用，使得水流的流向與原來方向基本保持一致，如圖6（b）所示。此時，對于水輪機旋轉(zhuǎn)盤面內(nèi)的截面而言，將有更多的流體通過。另外，從圖6（c）與圖6（d）對比可以看出，單獨水輪機時，流線在整個盤面內(nèi)比較亂，說明此時有較強的紊流出現(xiàn)；而加上導(dǎo)流涵道之后，流線明顯較之前平順很多，說明導(dǎo)流涵道還起到了整流的作用。

圖6　水輪機周圍流線圖

另外，水輪機在實際運行中，其轉(zhuǎn)速及作用在葉片上的水力驅(qū)動力矩是隨時間變化，且脈動的很厲害。這種脈動容易使水輪機的結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效，是垂直軸水輪機的主要劣勢之一。然而，當(dāng)水輪機在導(dǎo)流涵道內(nèi)運行時，水力驅(qū)動力矩與轉(zhuǎn)速脈動的幅度明顯減小，如圖7所示。以轉(zhuǎn)速為例，對于無導(dǎo)流涵道的水輪機，其時間平均后的轉(zhuǎn)速為2.12rad/s，而反映轉(zhuǎn)速脈動情況的標(biāo)準(zhǔn)差為0.34；當(dāng)將該水輪機置于導(dǎo)流涵道內(nèi)運行時，其時間平均后的轉(zhuǎn)速升為2.40 rad/s，標(biāo)準(zhǔn)差則降為0.13。說明導(dǎo)流涵道不僅可以提高水輪機的水力驅(qū)動力矩及轉(zhuǎn)速，還可以有效降低二者的脈動幅度，有助于提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖7　導(dǎo)流涵道對水輪機的水力驅(qū)動力矩及轉(zhuǎn)速的影響

4　結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對三葉片垂直軸潮流能水輪機在有無導(dǎo)流涵道的情況下水動力性能及能量利用率進行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）水輪機的存在會在導(dǎo)流涵道內(nèi)形成阻塞效應(yīng)，使涵道內(nèi)部的壓力升高，造成前方來流部分繞過涵道從兩側(cè)流走，降低了通過導(dǎo)流涵道的流體流量。

（2）流體在流過單獨水輪機盤面時，流線向外擴張，而導(dǎo)流涵道的內(nèi)壁可以抑制這種趨勢，使來流在水輪機的整個盤面內(nèi)保持流向的一致性，增大下游盤面葉片可利用的流量。同時，導(dǎo)流涵道的存在還起到整流的作用，避免了水流的整個水輪機作用盤面產(chǎn)生較大的紊流。

（3）根據(jù)計算結(jié)果可知，導(dǎo)流涵道的存在可使水輪機能量利用率從47%增大到58%，提高了0.26倍。

（4）導(dǎo)流涵道不僅增大了作用在葉輪上的水力驅(qū)動力矩及水輪機的旋轉(zhuǎn)速度，還有效減輕了二者的脈動情況。平均轉(zhuǎn)速由原來的2.12 rad/s升為2.40 rad/s，漲幅13%；尖速比則由原來的4.24升至4.80；反映波動劇烈程度的標(biāo)準(zhǔn)差也由原來的0.34降為0.13，極大提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

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Study on the Hydrodynamic Performance of Ducted Vertical Axis Tidal Turbines

ZHANG Huan，CHENG Shuai-bing，CHEN Bing
School of Ocean Science and Technology，Dalian University of Technology，Panjin 124221，Liaoning Province，China

Although vertical axis tidal turbine holds the advantages of simple structure and being able to work in any direction of flow，it has a lower power coefficient than horizontal axis tidal turbine.In addition，hydrodynamic torque on rotors also shows fluctuation in operation，which has negative effects on the smooth operation and structural safety of the turbine.Considering the drawbacks of vertical axis tidal turbine，this paper presents a feasible duct device，and compares and analyzes the hydrodynamic performances of non-ducted tidal turbine and ducted tidal turbine，respectively.The results show that the duct can smooth the flow in the whole circle of turbine.What is more，a ducted turbine can also capture more power from tides and reduce the fluctuation of hydrodynamic torque on rotors and rotational speed of the turbine，which will benefit the structural safety.

vertical axis tidal turbine；duct；numerical simulation；output power coefficient

P743；TK73

A

1003-2029（2016）04-0097-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.018

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51379036）

張歡（1989-），男，碩士研究生，主要從事海洋能源裝備方面研究。E-mail：huanzhang@mail.dlut.edu.cn

陳兵（1970-），男，副教授，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)方面的研究工作。E-mail：chenbing@dlut.edu.cn