陳 韜，李國富，劉曉杰

(寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

1 研究背景

潮流能由于其可預(yù)測性和高能量密度而得到了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外已有多個商業(yè)規(guī)模電站和試驗(yàn)項(xiàng)目，技術(shù)發(fā)展較為成熟[1]。作為潮流能發(fā)電設(shè)備中的一種，水平軸潮流水輪機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但受到葉片翼型的影響，水平軸潮流能水輪機(jī)無法適應(yīng)潮流的雙向流動。為了提高水平軸水輪機(jī)在一個潮流周期內(nèi)的輸出功率，需要在葉片根部安裝電機(jī)主動控制葉片變槳，或直接調(diào)整發(fā)電設(shè)備整機(jī)的朝向[2]，這帶來了制造和維護(hù)成本的增加，同時(shí)，在反向來流時(shí)支撐設(shè)備會阻擋一部分水流，導(dǎo)致水輪機(jī)功率系數(shù)下降[3]，從而降低了對潮流能的有效利用率。

為提高水平軸水輪機(jī)的雙向發(fā)電效率，Liu等[4]設(shè)計(jì)了一種雙向?qū)ΨQ葉片，雖然該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡單，但是相較之下，雙向?qū)ΨQ葉片的單向能量轉(zhuǎn)換效率要明顯低于傳統(tǒng)葉片。Huang等[5]設(shè)計(jì)了一種雙轉(zhuǎn)子對稱葉片水輪機(jī)，通過增加一組轉(zhuǎn)子葉片提高了發(fā)電設(shè)備對潮流能的利用率。王世明等[6]設(shè)計(jì)了一種“S”型對稱截面葉片的導(dǎo)流罩水輪機(jī)，可適應(yīng)潮流的雙向流動，但需要對稱安裝兩個電動機(jī)，導(dǎo)致制造和維護(hù)成本的成倍增加。陳健梅等[8]提出了一種雙向自適應(yīng)葉片設(shè)計(jì)，葉片可在水流推動下自動變槳以適應(yīng)流向的改變，但由于葉片的可動結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定，影響設(shè)備壽命。沈文婷[9]對對稱雙向葉片的翼型進(jìn)行了研究分析，對比分析了不同葉片翼型幾何參數(shù)對水輪機(jī)雙向性能的影響，以提高水輪機(jī)功率系數(shù)。楊志乾[10]對一種雙向浪流發(fā)電裝置的S葉輪性能進(jìn)行了研究分析，詳細(xì)對比了翼型厚度和攻角等幾何因素對水輪機(jī)性能的影響。由于對稱葉片翼型設(shè)計(jì)的能量轉(zhuǎn)換效率偏低，有的研究學(xué)者提出在傳統(tǒng)水輪機(jī)外部加裝導(dǎo)流裝置的方式來適應(yīng)流向的改變。Luquet等[11]提出了一種帶尾翼的自適應(yīng)式導(dǎo)流裝置設(shè)計(jì)，可利用尾翼自動調(diào)整設(shè)備朝向，保證水流始終正對水輪機(jī)來適應(yīng)潮流的雙向流動，但是由于實(shí)際海洋環(huán)境中海水的方向時(shí)刻在變化著，會導(dǎo)致設(shè)備在水下頻繁地調(diào)整姿態(tài)，運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性低。陳正壽等[12]提出一種新型軸流、懸浮式潮流能水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，通過上下平衡翼來保證水輪機(jī)軸線與水流方向始終保持一致，使得水輪機(jī)能夠始終工作在正向流動狀態(tài)，提高了雙向潮流的利用率，但由于采用了懸浮結(jié)構(gòu)和錨索牽引的方式極大降低了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，在海中容易擺動，姿態(tài)難以穩(wěn)定。

上述雙向潮流發(fā)電技術(shù)中，存在著能量轉(zhuǎn)換效率低、設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、安裝維護(hù)難度大問題。為此，本文在一種復(fù)合式發(fā)電裝置[13]基礎(chǔ)上對其改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種用于潮流能發(fā)電的雙向?qū)Я餮b置。由于導(dǎo)流裝置的形狀、曲率半徑等幾何參數(shù)會直接影響到導(dǎo)流裝置及水輪機(jī)的發(fā)電性能[14]，為研究雙向?qū)Я餮b置的性能，采用CFD軟件對裝置內(nèi)部的水流流動、裝置中心位置的流速分布等進(jìn)行仿真分析，探究不同圓角半徑對流速比、阻力系數(shù)等性能參數(shù)的影響，并計(jì)算安裝整流式導(dǎo)流裝置后對雙向水流發(fā)電功率的影響。最后，采用目前水輪機(jī)性能模擬試驗(yàn)中較為常用的水下拖拽試驗(yàn)方法[15]，驗(yàn)證所提出的雙向?qū)Я餮b置對提高發(fā)電裝置輸出功率的實(shí)際效果。

2 雙向?qū)Я餮b置的結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 雙向?qū)Я餮b置的基本結(jié)構(gòu)

雙向?qū)Я餮b置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1所示，為便于閥門的開啟和關(guān)閉，采用了矩形截面設(shè)計(jì)。所示的雙向?qū)Я餮b置由導(dǎo)流管道以及出入口的增速導(dǎo)流裝置組成，內(nèi)部在上下位置各安裝有一個能在水流的推動下自動開啟和關(guān)閉的單向閥門，用于控制流入導(dǎo)流裝置內(nèi)部水流的流動方向。

圖1 潮流能發(fā)電雙向?qū)Я餮b置結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 雙向?qū)Я餮b置的工作原理

圖2為雙向?qū)Я餮b置的工作原理示意圖。雙向?qū)Я餮b置共有A、B兩個入口以及C、D兩個出口。當(dāng)水流正向流動時(shí)，即水流從A口流入，上閥門在水流的推動下向B口擺動，將導(dǎo)流管道的右上方B口封閉。而當(dāng)水流流經(jīng)下閥門時(shí)，下閥門在外部水流和內(nèi)部水流的雙重作用下向C口擺動，將導(dǎo)流管道左下方C口封閉。因此，水流由A口流入，自上而下流經(jīng)管道中心E，隨后從D口流出。而當(dāng)海水反向流動時(shí)，即從B口流入時(shí)，閥門的運(yùn)動情況與上述過程相反，水流從B口流入，自上而下流經(jīng)管道中心E，隨后從C口流出。無論外部水流從哪個入口流入，在單向閥門的控制下，管道中部E的水流流動方向始終是自上而下的，將發(fā)電設(shè)備安裝在此位置就能夠保證其始終處于“正向”的工作狀態(tài)，避免了由潮流反向帶來的負(fù)面影響。

圖2 雙向?qū)Я餮b置的工作原理示意圖

3 雙向?qū)Я餮b置性能數(shù)值分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

在1個潮流周期內(nèi)，發(fā)電設(shè)備的雙向平均發(fā)電功率計(jì)算方法為：

(1)

受到葉片翼型的影響，葉片的正向功率系數(shù)Cp0遠(yuǎn)大于其反向功率系數(shù)Cp1，使得平均功率系數(shù)約下降一半：

(2)

因此，在不加以措施的情況下，發(fā)電設(shè)備難以有效地利用潮流能。而在外部加裝導(dǎo)流裝置后，由于導(dǎo)流裝置的聚能提速效果，能夠提高發(fā)電設(shè)備的輸出功率，含導(dǎo)流裝置的發(fā)電設(shè)備輸出功率可根據(jù)文獻(xiàn)[16]進(jìn)行計(jì)算：

P=0.5ρA(av)3Cp0

(3)

式中：a為導(dǎo)流裝置增速比。

由公式(3)可以看出，若安裝雙向?qū)Я餮b置，在保證葉片的功率系數(shù)幾乎不變的前提下，導(dǎo)流裝置提高潮流流速a倍，則總的輸出功率可提高a3倍。安裝雙向?qū)Я餮b置后，在理想情況下，一個潮流周期內(nèi)的輸出功率相較傳統(tǒng)單向水輪機(jī)更能提高2a3倍。

由于雙向?qū)Я餮b置內(nèi)部存在著拐角，流動情況與一般的直導(dǎo)流裝置不同，考慮到內(nèi)部轉(zhuǎn)角帶來的能量損耗，其增速比可視為出入口導(dǎo)流罩的增速比與內(nèi)部轉(zhuǎn)角損耗之間的組合，即：

a=(1-k)ad

(4)

式中：k為拐角阻力系數(shù)；ad為外部導(dǎo)流罩增速比。

因此，考慮潮流的雙向流動，在一個潮流周期內(nèi)，裝有雙向?qū)Я餮b置的發(fā)電設(shè)備平均輸出功率為：

P=0.5ρA[(1-k)ad)v]3Cp0

(5)

在外部導(dǎo)流罩幾何參數(shù)確定的情況下，雙向?qū)Я餮b置的性能受到內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的直接影響。因此，對不同幾何參數(shù)下雙向?qū)Я餮b置的內(nèi)部流場進(jìn)行分析對提高雙向?qū)Я餮b置的性能是十分必要的。

3.2 流場分析

利用CFD軟件，采用Realizablek-ε兩方程模型對雙向?qū)Я餮b置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，該模型是標(biāo)準(zhǔn)k-e模型的變形，k-ε具有計(jì)算精度高、收斂性好的優(yōu)點(diǎn)，因此常用于水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的性能分析研究中[17]。為便于三維建模和仿真分析，且考慮到裝置的對稱結(jié)構(gòu)，對雙向?qū)Я餮b置的閥門進(jìn)行了簡化，簡化后的雙向?qū)Я餮b置截面如圖 3所示，建模所使用的雙向?qū)Я餮b置主要幾何參數(shù)如表1所示。

圖3 雙向?qū)Я餮b置幾何尺寸示意圖

表1 雙向?qū)Я餮b置模型建立的主要幾何參數(shù)

由于在雙向?qū)Я餮b置內(nèi)部，水流經(jīng)歷了兩次流動的轉(zhuǎn)向，而轉(zhuǎn)角處的局部阻力引發(fā)的能量損失會導(dǎo)致流速降低，同時(shí)，由于裝置采用了雙向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)，因此轉(zhuǎn)角圓半徑會直接影響到導(dǎo)流裝置的雙向性能。圖 4為3種不同轉(zhuǎn)角圓半徑下的流速分布云圖，由圖4可以看到，當(dāng)圓角半徑R=0.6l時(shí)，由于圓角半徑較小，在水流慣性的影響下水流無法立即改變流向，而是繼續(xù)保持向前流動，在撞擊到管壁后才發(fā)生流向改變，因此在管道內(nèi)部和擴(kuò)張出口上均出現(xiàn)了大片的低速區(qū)域，由此導(dǎo)致水流在管道內(nèi)部的流速分布不均勻，并且水流直接撞擊管壁會加大水流能量的損耗。當(dāng)圓角半徑R=1.0l時(shí)，管道內(nèi)部的低速區(qū)域幾乎消失，僅在出口位置還有一定范圍的低速區(qū)域，并且由于流動性增加，內(nèi)部流速得到了提升。在圓角半徑R=1.4l時(shí)，圓角半徑的增大使得水流在管道內(nèi)的流動更為順暢，管道內(nèi)部和擴(kuò)張出口處的低速區(qū)域已經(jīng)完全消失，中心流速得到了進(jìn)一步提高，在兩個轉(zhuǎn)角處的流速提升明顯，高速區(qū)域也顯著增加。對比不同圓角半徑下的流速云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著圓角半徑的增加，水流的轉(zhuǎn)向得到了緩和，改善了水流的流動性，使得內(nèi)部水流的流速增加，說明增大圓角半徑有利用降低導(dǎo)流裝置內(nèi)的流動阻力和能量損耗，提高雙向?qū)Я餮b置的性能。

由圖 4還可以看出，由于受到雙向?qū)Я餮b置結(jié)構(gòu)的影響，水流在管道內(nèi)部發(fā)生了流動轉(zhuǎn)向。因此在轉(zhuǎn)角處呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)流速大，外側(cè)流速小的分布趨勢，而葉片安裝位置恰好處于兩個轉(zhuǎn)角的連接位置，從而導(dǎo)致了葉片安裝處的中心截面流速分布不均勻，可能會對葉片的性能造成一定的影響。

圖 5展示了3種不同圓角半徑下的中心截面流速分布云圖，從圖5中可以看到，在圓角半徑R=0.6l時(shí)，由于轉(zhuǎn)角半徑過小，水流進(jìn)入導(dǎo)流裝置后并沒有沿著管壁流動，因此左側(cè)的流速較低，導(dǎo)致中心截面左右的流速分布差異大，流速小于0.26 m/s的低速區(qū)域在整個截面上面積將近1/5，同時(shí)右側(cè)的流速也要低于外部環(huán)境流速1 m/s，說明此時(shí)的圓角半徑過小，導(dǎo)致能量損耗過大，從而降低了整個導(dǎo)流裝置內(nèi)部的水流流速。在圓角半徑R=1.0l時(shí)，圓角半徑的增大改善了水流的流動性，左側(cè)低速區(qū)域減少，但右側(cè)最大流速仍然較小。而在圓角半徑R=1.4l時(shí)，不僅左側(cè)低速區(qū)域明顯減小，同時(shí)右側(cè)區(qū)域的流速也相對更高，整個截面上高速區(qū)域占據(jù)絕大部分局域，流速均勻性更好。

圖4 雙向?qū)Я餮b置在不同轉(zhuǎn)角圓半徑下的水平截面流速分布云圖

圖5 雙向?qū)Я餮b置在不同轉(zhuǎn)角圓半徑下的中心截面流速分布云圖

3.3 圓角半徑對流速比及阻力系數(shù)的影響

圖 6展示了3種圓角半徑下，中心截面平均流速vp與潮流流速v的流速比隨潮流流速的變化曲線。從圖6中可以看到，在潮流流速從0.5 m/s增加到2 m/s，流速比vp/v總體呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢，受到潮流流速影響較小，隨潮流流速的增加，流速比略有上升。說明雙向?qū)Я餮b置能夠在多種潮流流速下保持穩(wěn)定的增速比，在不同的環(huán)境下均能保證雙向?qū)Я餮b置的性能表現(xiàn)。同時(shí)，對比不同圓角半徑下的最大流速比也可以看到，圓角半徑的增加直接提高了流速比，進(jìn)一步地說明了圓角半徑對導(dǎo)流裝置性能的影響十分重要，通過增大圓角半徑能夠使得流速比增加，提高了雙向?qū)Я餮b置的性能。

圖6 不同轉(zhuǎn)角圓半徑下流速比vp/v隨潮流流速v的變化曲線

阻力系數(shù)k是雙向?qū)Я餮b置重要的性能指標(biāo)之一，通過計(jì)算阻力系數(shù)k可以用來衡量流體在內(nèi)部流動轉(zhuǎn)向帶來的流速損耗。

圖7展示了圓角半徑對內(nèi)部阻力系數(shù)影響，從圖7中可以看到，隨著圓角半徑的增加，阻力系數(shù)最初下降速度較為緩慢，當(dāng)圓角半徑R>0.9l后阻力系數(shù)迅速減少，雖然增加圓角半徑能夠提高雙向?qū)Я餮b置的性能，但并不能無限制地提高流速比和降低能量損耗，當(dāng)R>1.4l后，阻力系數(shù)k已經(jīng)趨于平穩(wěn)，此后繼續(xù)增大圓角半徑已經(jīng)不能使得阻力系數(shù)降低。這一結(jié)果表明，一方面，增加圓角半徑大小，能夠降低轉(zhuǎn)角處的局部損耗，提高水流的流動性，使得流速增加；另一方面，當(dāng)圓角半徑增加到一定程度時(shí)，圓角擴(kuò)大放緩，局部損耗下降緩慢，而管道長度的增加也導(dǎo)致流動的沿程損耗，從而使得管道內(nèi)部的阻力保持穩(wěn)定。

圖7 轉(zhuǎn)角圓半徑與阻力系數(shù)間的關(guān)系曲線

3.4 雙向?qū)Я餮b置對發(fā)電效率的影響

圖8為以裸葉片最大輸出功率P0為基準(zhǔn)時(shí)，不同轉(zhuǎn)角圓半徑下的雙向?qū)Я餮b置相對輸出功率Pd/P0的曲線圖。

圖8 不同轉(zhuǎn)角圓半徑下雙向?qū)Я餮b置相對輸出功率與葉尖速比的關(guān)系曲線

從圖8中可以看到，4種情況下的輸出功率曲線變化趨勢較為一致，隨著葉尖速比的增加，功率系數(shù)先上升后下降，在葉尖速比為2.5～3.5時(shí)達(dá)到最大輸出功率。由于圓角半徑較小時(shí)的中心截面平均流速小，且流速分布不均勻，因此水輪機(jī)的發(fā)電性能下降，輸出功率降低。而在拐角半徑R=1.0l、葉尖速比小于3時(shí)，最大輸出功率與裸葉片相差無幾，說明此時(shí)雖然導(dǎo)流裝置內(nèi)部流動存在一定的能量損耗，但是外部安裝的增速導(dǎo)流罩能夠增加進(jìn)入導(dǎo)流裝置的水流流速，可以彌補(bǔ)水流轉(zhuǎn)向帶來的能量損耗，使得此時(shí)的輸出功率與裸葉片時(shí)的功率曲線較為吻合。在雙向?qū)Я餮b置圓角半徑達(dá)到R=1.4l，葉尖速比為2.5時(shí)輸出功率達(dá)到最大，計(jì)算可知，使用雙向?qū)Я餮b置后設(shè)備最大輸出功率提高了22%。

圖9對比了分別采用雙向?qū)ΨQ葉片、裸葉片及雙向?qū)Я餮b置時(shí)的發(fā)電設(shè)備輸出功率，為直觀地對比三者之間的性能差異，對數(shù)值進(jìn)行了歸一化處理。從圖 9可以看出，視裸葉片的平均發(fā)電功率P=1時(shí)，文獻(xiàn)[4]中采用雙向?qū)ΨQ葉片設(shè)計(jì)，平均功率提高了52%；而使用雙向?qū)Я餮b置時(shí)，平均功率能夠提高154%。

圖9 不同導(dǎo)流裝置的發(fā)電設(shè)備雙向平均輸出功率對比

一方面，雙向?qū)Я餮b置能夠?qū)㈦p向潮流流動轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)葉片處的單向流動，保證了水輪機(jī)正反向功率系數(shù)的一致，大大提高了發(fā)電設(shè)備的平均功率系數(shù)；另一方面，雙向?qū)Я餮b置具有對稱結(jié)構(gòu)，因此也能保證在雙向潮流中導(dǎo)流裝置的性能不變，進(jìn)一步提高了發(fā)電設(shè)備的雙向平均發(fā)電功率。

4 雙向發(fā)電試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸?/h3>

從仿真結(jié)果可知，使用雙向?qū)Я餮b置后能夠提高發(fā)電設(shè)備在一個潮流周期內(nèi)的平均發(fā)電效率和總發(fā)電量。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的雙向?qū)Я餮b置對提高發(fā)電裝置輸出功率的實(shí)際效果，根據(jù)運(yùn)動的相對原理，設(shè)計(jì)了水箱拖拽試驗(yàn)測試雙向?qū)Я餮b置對發(fā)電設(shè)備輸出功率的影響，試驗(yàn)原理如圖10所示。

試驗(yàn)用水箱兩側(cè)裝有車軌，其上有滑車，發(fā)電裝置吊裝在滑車下方。試驗(yàn)時(shí)，啟動卷線電機(jī)，卷線電機(jī)旋轉(zhuǎn)收緊牽引繩，此時(shí)，滑車沿著水箱兩側(cè)的軌道行進(jìn)，帶動水下的發(fā)電設(shè)備與水產(chǎn)生相對運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)對潮流運(yùn)動的模擬。通過調(diào)整電機(jī)拖拽速度，測試發(fā)電設(shè)備在不同外部環(huán)境流速下，加裝雙向?qū)Я餮b置對負(fù)載上獲得的平均電功率的影響。

圖10 驗(yàn)證雙向?qū)Я餮b置的水箱拖拽試驗(yàn)方案原理圖

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

為了能夠更好地反映發(fā)電性能，需要保證電壓信號的平穩(wěn)，因此選取整個水下運(yùn)動過程中電壓數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定的一段進(jìn)行處理和分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程如圖11所示。

圖11 水箱拖拽試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集步驟

水下發(fā)電試驗(yàn)的電路原理如圖 12所示，發(fā)電機(jī)的電壓輸出到一個與電機(jī)內(nèi)阻相當(dāng)?shù)碾娮枭?，作為發(fā)電機(jī)的負(fù)載。葉片在水流的推動下旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動發(fā)電機(jī)對負(fù)載輸出電壓，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠獲得不同的拖拽速度，最終由示波器采集不同拖拽速度下負(fù)載兩端的電壓信號，用于后續(xù)的處理和分析。

圖12 水下發(fā)電試驗(yàn)的電路原理圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)示波器所采集到的電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算在不同流速下的負(fù)載電壓，電壓的變化情況如圖 13所示，為便于對比和直觀展示，對所有數(shù)據(jù)以進(jìn)行了歸一化處理。

由圖13可以看出，隨著平均流速的提高，電壓值逐漸上升，且三者的變化趨勢較為一致；受到葉片翼型、支撐設(shè)備等的影響，水輪機(jī)的反向性能下降十分顯著，使得裸葉片的反向發(fā)電電壓明顯低于裸葉片正向及雙向?qū)Я餮b置，并且加裝雙向?qū)Я餮b置后由于雙向?qū)Я餮b置阻力較小，同時(shí)外部安裝有增速導(dǎo)流罩，提高了進(jìn)入導(dǎo)流裝置內(nèi)部的水流流速，因此雙向?qū)Я餮b置的負(fù)載電壓也明顯高于裸葉片。

圖13 不同導(dǎo)流裝置下負(fù)載電壓與平均流速的關(guān)系曲線

圖14為根據(jù)電壓數(shù)據(jù)計(jì)算所得的負(fù)載電功率數(shù)據(jù)對比圖，結(jié)合葉片正向與反向負(fù)載電壓數(shù)據(jù)，作為一個周期內(nèi)的平均發(fā)電功率，并與雙向?qū)Я餮b置進(jìn)行了對比。

由圖14可以看到，由于雙向?qū)Я餮b置采用對稱式的設(shè)計(jì)，能夠很好地保證該裝置雙向性能的一致性，避免了葉片反向性能下降的問題，因此在不同的流速下，加裝雙向?qū)Я餮b置后發(fā)電設(shè)備的輸出功率大幅提升。

圖14 裸葉片與雙向?qū)Я餮b置1個周期內(nèi)負(fù)載平均電功率對比

根據(jù)不同流速下的電壓數(shù)據(jù)計(jì)算相對功率系數(shù)，用于衡量加裝雙向?qū)Я餮b置后設(shè)備的輸出功率增長，其計(jì)算公式為：

(6)

式中：Pd為有導(dǎo)流裝置時(shí)的平均負(fù)載電功率，W；Pt為裸葉片的平均負(fù)載電功率，W。

圖15為雙向?qū)Я餮b置的相對功率系數(shù)隨流速變化曲線。從圖 15中可以看到，隨著流速的提高，相對功率系數(shù)略有上升，在流速為1 m/s時(shí)達(dá)到最大，加裝雙向?qū)Я餮b置后，負(fù)載上的平均電功率提高了79%。

圖15 雙向?qū)Я餮b置的相對功率系數(shù)隨流速變化曲線

5 結(jié) 論

(1)以阻力系數(shù)k衡量雙向?qū)Я餮b置中內(nèi)部阻力對輸出功率的影響，隨著圓角半徑的增大，阻力系數(shù)k逐漸減小且趨于穩(wěn)定，增大圓角半徑有利于提高雙向?qū)Я餮b置的性能。

(2)仿真結(jié)果表明，雙向?qū)Я餮b置內(nèi)部流體轉(zhuǎn)向會導(dǎo)致在中心截面處產(chǎn)生流速不均的現(xiàn)象，增大圓角半徑能夠改善中心界面處流速分布的均勻性，提高中心截面平均流速。

(3)仿真分析了有無雙向?qū)Я餮b置時(shí)的輸出功率，對比研究結(jié)果表明，使用雙向?qū)Я餮b置能夠避免葉片反向性能下降的問題，提高在一個潮流周期內(nèi)發(fā)電設(shè)備的平均功率系數(shù)。

(4)水下試驗(yàn)結(jié)果表明，在外接負(fù)載阻值相同，潮流流速為1 m/s時(shí)，加裝雙向?qū)Я餮b置后，外接負(fù)載上的平均電功率相較同等條件下的裸葉片提高了79%，使用雙向?qū)Я餮b置能夠顯著地提高發(fā)電設(shè)備在一個潮流周期內(nèi)的平均輸出功率和總發(fā)電量。