水平轴潮流能水力涡轮数值模拟与试验研究.pdf

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1、第35卷第5期2016年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35．No．5Oct．2016doi：lO．3969／j．issn．1003—2029．2016．05．016水平轴潮流能水力涡轮数值模拟与试验研究肖云峰1，高鹏远2，黄俊强1，王信1，邹文昊1(1．北京石油化工学院，北京102617；2．北京化工大学，北京100029)摘要：首先．使用叶素动量理论对所设计的室内试验用小型水平轴潮流能水力涡轮叶片模型进行初步计算，获得其性能参数，此后借助NUMECA软件，采用三维计算流体动力学(cF

2、D)方法对水平轴水力涡轮进行三维水动力分析，得到其性能曲线，最后通过试验水槽进行模型试验，对BEM计算结果和CFD计算结果进行验证，结果表明：叶素动量理论和CFD方法均能对水力涡轮性能进行有效预测，且CFD方法具有更高的精度：此外，根据CFD方法得到叶片表明的压力分布。根据空化条件可知．该水力涡轮会发生空化。关键词：BEM：CFD：水动办性能：空化：实验中图分类号：P743：TK73文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)05—0080—052l世纪以来，随着科技的发展和人口的增长，传统能源如煤、石油、天然气紧缺的

3、问题日渐凸显。目前，我国石油消费量居世界第二，超过50％依赖进口。积极开发与研究新型能源，消除我国能源隐患，使能源结构合理化已经成为大势所趋{lI。潮流能作为一种新能源，具有蕴藏能量大、绿色环保的特点，在不占用陆地空间的同时，可以实现资源综合利用，这正好弥补了常规化石能源的不足之处。此外，随着化石能源等不可再生能源的日益减少以及对环境的保护要求越来越高，如何有效开发利用潮流能引起各国的高度重视。在海洋能的开发利用领域中，潮流能的开发利用已变得最为活跃121。潮流能发电装置的核心装备为水力涡轮，其作用就是将海水的动能转化为叶轮的机

4、械能，各国研究人员开发了多种不同形式水力涡轮。其中水平轴潮流能水力涡轮具有效率高、技术相对成熟的特点，同时可以借鉴水平轴风力机开发利用的经验，是具有较好应用前景的形式，在目前的潮流能开发装置中占到很大份额。笔者以自行设计的20w潮流能水力涡轮为例，基于Qblade二维计算软件和NUMECA流体三维模拟软件，对所设计的叶片进行水动力性能计算，并将计算结果与实验结果进行对比。1理论基础1．1叶素动量理论当前国内外计算风力机叶片气动性能的理论有贝茨理论、动量理论、叶素理论、叶素动量理论13-41等。其中，叶素动量理论结合了动量理论和叶

5、素理论，计算出风轮扫掠面中的迭代变量轴向诱导因子口和周向诱导因子b。如图1所示，风轮流动模型简化为一个理想的单元流管，并将其离散成N个高度为dr的环形单元，单元之间没有流动。图1叶素动量理论单元流管模型由动量理论可得到作用在dr微段上的推力及转矩：'d难4叩yj“1一a)rdr(1)收稿日期：2016—04一18作者简介：肖云峰(1976一)，男，副教授，主要从事特种叶轮机械设计与研发。E-mail：xiaoyunfeng@bipt．edu．cn国Ⅳ蛉l，鬻体一一川F第5期肖云峰。等：水平轴潮流能水力涡轮数值模拟与试验研究dM=

6、4wpV．b(1-a)rdr(2)通过叶素理论可以得到作用在dr微段的推力与转矩：dI告-BpcV02C．dr(3)d杜：÷印cy02c，dr(4)由叶素理论和动量理论得出的推力和转矩相等，并由速度三角形可得：}：乓(5)l—n8axrsin‘击上：丝g(6)1-b8wrsin2击⋯1．2CFD基本理论NUMECA公司的FINE／TURBO软件包具有十分强大的流场计算和前后处理功能。FINE／TURBO采用时间相关法求解雷诺平均的Ⅳ一S方程，离散方式为中心节点的有限体积法，以显示四阶RUNGE—Kutta法求解，并具有多重网格初

7、场处理和多重网格迭代加速以及低流速的预处理技术。湍流模型为一方程Spalart—Allmaras(S—A)模型。1．3叶片模型水力涡轮为水平轴三叶片定桨型，叶片半径O．19m，额定功率20w，叶尖速比为3，设计流速为1m／s，叶片旋转轴为z轴。图2叶片模型1．4计算域和网格与风力机相同，水力涡轮计算域包括内部流动域和外部绕流域，计算域的精准程度关乎计算结果的准确程度，因此，必须严格把握计算域。根据水力涡轮实际工作情况确定计算区域包括叶片旋转平面，进口段和出口段，其中叶片展向延伸到3倍半径(3R)，考虑到水力涡轮下游尾流的影响叶片

8、下游尺寸为5倍叶高，上游也设定为5R。计算网格通过Igg／AutoGrid模块生成，如图3所示，由于叶片流道具有周期性，因此只需给出单列网格。最终生成的网格单列网格总数约为83万，无负网格，流道最小网格正交性为16．149，远场最小网格正交性为16．218，流道