基于cfd的潮流能水轮机数值模拟研究

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1、基于CFD的潮流能水轮机数值模拟研究摘要：为了开发一种水力性能良好的水平轴潮流能水轮机，以Fluent软件为平台，利用Cn)技术，对潮流能水轮机进行三维湍流数值模拟：利用三种具有不同特征翼型形成两种类型共8种不同叶片，对这8种叶片形成的水轮机流场进行三维数值模拟计算。模拟结果发现，水轮机叶片叶尖采用对称翼型及叶根采用弯度较大翼型能够获得较好的水力性能。最优方案水轮机内部流场流态良好，符合设计要求。关键词：潮流能；潮流能水轮机；数值模拟；叶片设计;翼型分类号：TM619文献标志码：A文章编号：1672-1683(2015)

2、03-0518-04Abstract:Inordertodevelopahorizontalaxistidalcurrentenergyturbinewithhighhydraulicperformance,three-dimensionalnumericalsimulationwasappliedtosimulatethetidalcurrentenergyturbinesusingCFDtechnologywithFLUENTastheplatform.Threedifferentairfoilshapeswereu

3、sedtoformatotalofeightbladesoftwotypes,andtheflowfieldsoftheturbineproducedbytheeightbladesweresimulated.Theresultsshowedthattheturbinewiththesymmetricalairfoilinthetipofbladeandlarge-camberairfoilintherootofbladehasbetterhydraulicperformance.Theflowpatternoftheo

4、ptimalturbineisgoodandcanmeetthedesignrequirements.Keywords:tidalcurrentenergy；tidalcurrentenergyturbine；numericalsimulation；bladedesign；airfoil在已知的各种形式海洋能中，潮流能的能流密度最大。相对于风能、太阳能等能源，它的能量更加集中。同时潮流能的能量转换装置具有较小几何尺度的优势，尺寸数10m左右的机组其装机容量可达百kW级［1］。几何尺度的优势使它施工更加灵活方便，同时对海洋

5、生态环境的影响也较小。基于这样的原因，潮流能正越来越受到国内外人们的重视。我国海洋潮流能储量丰富，潮流能理论平均功率为13940丽［2］，其开发利用潜力巨大。潮流能水轮机是潮流能能量转换的重要装置，对开发及利用潮流能十分重要。其动力原理、机械构造以及能量特性是目前潮流能开发的研究重点和难点。其中水平轴潮流能水轮机是获取潮流能的常用装置。国外的潮流发电研究开始于20世纪70年代中期，2004年英国的MCT公司成功制造出第一台并网型，额定容量300kW的的机组。从总体来看，与国外相比我国潮流能发电技术还比较落后。我国潮流能开

6、发利用项目容量都在百kW内，且大部分为国家资助项目，国内企业或公司还没有参与，各项技术的提升空间较大。本文拟通过建立不同形式叶片和水轮机的三维模型，利用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)技术进行基于不可压缩连续方程、雷诺时均N-S方程和S-A湍流模型的三维数值模拟计算，以期得到一种效率及出力均较高的潮流能水轮机。1叶片及水轮机模型1.1叶片型式及翼型选择为了寻找到一种较优的叶片，在对已有不同特征翼型水动力性能分析比较［3-5］的基础上，本文利用三种不同翼型形成的叶片进行分析，分别

7、是NACA63-212、NACA6409和NACA4412[6]1)0其中，NACA63-212是一种对称翼型，其相对弯度很小，厚度适中；NACA6409相对弯度较大，但是相对厚度较小；NACA4412的相对弯度和相对厚度均介于NACA63-212和NACA6409之间。根据现有翼型理论，弯度越大的翼型，其升力系数越大，翼型的升阻比也越大，则整体装置的能量转换性能也越好，但是其结构强度及过流能力则相对减弱。因而最终的叶片采用何种翼型，还需要通过进一步的数值模拟结果进行分析研究。本次叶片设计，选择了两种不同类型的叶片进行分

8、析比对（图2）:第一类与风力机叶片类似，叶尖较窄而叶根较宽;第二类与普通贯流式水轮机叶片类似，叶尖较宽而叶根较窄。1.2水轮机三维模型构建水轮机叶片的叶尖及叶根扭角相对于叶轮旋转平面分别为5°和30°。转轮直径为3m，轮毂直径0.9m，轮毂比为0.3。考虑到流动的充分发展，计算区域沿流动方向取20m,垂直流动方向取5