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      湍流對潮流能發(fā)電水輪機性能影響數(shù)值仿真研究?

      2019-04-16 06:42:08譚俊哲王樹杰司先才
      關(guān)鍵詞:來流尾流水輪機

      譚俊哲, 王 鵬, 袁 鵬, 王樹杰, 司先才

      (1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.青島市海洋可再生能源重點實驗室, 山東 青島 266100)

      作為一種儲量巨大的清潔可再生能源,潮流能得到了各國科研人員的重視,出現(xiàn)了很多關(guān)于潮流能發(fā)電水輪機的研究。在實際海域中,影響潮流能水輪機獲能的因素有很多,如地形、來流速度、來流方向、湍流等。其中,湍流對潮流能發(fā)電水輪機性能的影響主要有以下幾點:第一,湍流對潮流能發(fā)電機組的獲能效率和受力有影響;第二,不同湍流下的潮流能發(fā)電水輪機的尾流場有所不同[1]。

      在實際的潮流能發(fā)電場布放海域中必然存在著湍流。Osalusi等[2]測定了英國Fall of Warness海域的湍流強度為7.9%~8.7%,在漲潮落潮時的湍流強度可達9.5%~10.3%;Milne等測量的英國Sound of Islay距離海底5 m處海域的湍流強度為12%~15%;Thomson等測量的美國Puget Sound海域的湍流強度為6.6%~9%??梢姡澜缟现饕某绷髂苜Y源區(qū)的湍流強度都較大。因此,研究湍流條件下潮流能發(fā)電水輪機性能及尾流特征是有必要的,多家研究機構(gòu)進行了湍流對潮流能發(fā)電水輪機性能影響的研究。Mycek P等[3]在水槽中對工作在湍流強度分別為3%和15%兩種工況下的直徑為800 mm的潮流能發(fā)電水輪機獲能系數(shù)和軸向力系數(shù)等進行了試驗研究;Rose等[4]在實驗室中用縮放比例為1/10的水輪機模型進行了湍流試驗(原水輪機直徑1.5 m),研究了不同來流速度下尾流場相關(guān)性能;Tedds等[5]主要研究了湍流條件下不同葉片數(shù)目、扭角情況下尾流形狀。

      上述研究主要從試驗方面進行了湍流對潮流能發(fā)電水輪機的相關(guān)研究,本文主要從數(shù)值模擬方面進行湍流對潮流能發(fā)電水輪機相關(guān)性能影響的研究,通過設(shè)置不同的湍流強度,研究不同湍流強度對潮流能發(fā)電水輪機獲能系數(shù)和軸向力系數(shù)以及尾流場性能的影響,從而為潮流能發(fā)電水輪機多機組陣列排布提供合理參考。

      1 特征量介紹

      1.1 湍流強度

      湍流強度(I)簡稱湍流度或湍強,湍流是流體的一種流動狀態(tài)。當流速很小時,流體分層流動,互不混合,稱為層流;當流速增加到很大時,流線不再清楚可辨,流場中有許多小漩渦,層流被破壞,相鄰流層間不但有滑動,還有混合。這時的流體作不規(guī)則運動,有垂直于流管軸線方向的分速度產(chǎn)生,這種運動稱為湍流。實際水域中湍流強度可通過以下公式計算得到[6]:

      (1)

      式中:I-湍流強度;σ-平方差;u-x方向水流速度(m·s-1);v-y方向水流速度(m·s-1);w-z方向水流速度(m·s-1)。

      1.2 獲能系數(shù)、軸向力系數(shù)

      分析水輪機特性時,表征水輪機水動力學(xué)性能的常用參數(shù)是功率系數(shù)、軸向力系數(shù)。其中功率系數(shù)直接關(guān)系到水輪機的發(fā)電效率;軸向力系數(shù)與潮流對支撐水輪機的軸向力有關(guān)系,主要用于對支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和校核,對保證水輪機安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。功率系數(shù)和軸向力系數(shù)的表達式[8]為:

      (2)

      (3)

      式中:P電-水輪機實際功率;F-軸向力;ρ-水的密度;V—來流速度;R-水輪機半徑。

      在數(shù)值仿真中,可通過Fluent計算獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩T,則水輪機功率為:

      P電=Tω。

      (4)

      式中ω—水輪機角速度。

      2 數(shù)值建模

      1.1 計算模型

      本文選用直徑600 mm潮流能發(fā)電水輪機模型,翼型為NACA 63418,具體參數(shù)如表1所示。

      表1 潮流能發(fā)電水輪機模型相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of tial turbine model

      根據(jù)MATLAB生成的葉片翼型數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)子的尺寸參數(shù),在三維繪圖軟件中完成不同直徑轉(zhuǎn)子的水輪機建模,其三維模型如圖1所示。

      圖1 水輪機轉(zhuǎn)子三維模型Fig.1 3D model of tidal turbine rotor

      將潮流能發(fā)電水輪機三維模型導(dǎo)入到Gambit中進行網(wǎng)格劃分(見圖2)??紤]到水輪機尾流場的充分擴展,流場域的尺寸選取為:長×寬×高=25D×5D×5D。水輪機采用三角形非結(jié)構(gòu)面網(wǎng)格,旋轉(zhuǎn)域和流場域均采用六面體非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格。通過控制面網(wǎng)格、旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格、流體域網(wǎng)格尺寸,實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)域的局部加密,加密程度約為10倍網(wǎng)格加密,從而使模擬結(jié)果更精確。

      圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

      水輪機的計算區(qū)域如圖3所示。水輪機中心距離入口為5D處,既提高了計算效率,節(jié)省了計算時間,同時又保證了計算準確性;為避免計算域上下邊界對水輪機的干擾,選取上下邊界距離水輪機中心2.5D;考慮尾流在水輪機后方大約20D處完全恢復(fù),故出口邊界在水輪機中心后方25D處[9]。

      圖3 水輪機計算區(qū)域Fig.3 The area of computation about tidal turbine

      1.2 邊界條件設(shè)定

      鑒于水為不可壓縮液體及來流速度已知,設(shè)置進口邊界為速度入口(Velocity inlet),出口邊界條件為壓力出口(Pressure outlet),水輪機葉片表面為無滑移的固壁條件(Wall);旋轉(zhuǎn)域和流體域的類型都為流體(Fluid)。

      1.3 湍流模型選擇

      湍流模型的選擇。假設(shè)流體為黏性不可壓縮的液體,則流體運動方程為納維-斯托克斯(N-S)方程,其三維流動連續(xù)性微分方程[10]為:

      (5)

      式中:u-速度矢量(m·s-1);-拉普拉斯算子;ρ-流體密度(kg·m-3)。

      鑒于Realizable 模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)剪切流、包含有射流和混合流的自由流動、邊界層流動,以及帶有分離的流動,故本數(shù)值模擬選取Realizable 模型[11],關(guān)于k和的輸運方程如下:

      (6)

      (7)

      式中:k-湍流動能;ε-湍動耗散率;σk,σε-湍動能k和湍動耗散率對應(yīng)的Prandtl數(shù),σk=1.0,σε=1.2;xi、xj-位置坐標分量;ui-速度坐標分量;Gk-平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項;μ-流體動力黏性系數(shù)。湍流黏性系數(shù)μ=ρCμk2/σε,Cμ-模型常數(shù),C2=1.9。

      3 數(shù)值模擬結(jié)果

      來流速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s時不同湍流強度下(3%和15%)水輪機獲能系數(shù)、軸向力系數(shù)和尾流場流速損失如圖4~6所示。

      如圖4所示,對兩種湍流強度,當尖速比在3~6時水輪機獲能系數(shù)較高;湍流強度為3%時各曲線更接近一條曲線,而湍流強度為15%時各曲線比較分散;對應(yīng)每種來流速度下,湍流強度為3%時水輪機獲能系數(shù)略高于湍流強度為15%時;獲能系數(shù)隨來流速度的增大而有所增加,來流速度為1.2 m/s時最大獲能系數(shù)比來流速度為0.4 m/s時最大獲能系數(shù)高10%左右。

      如圖5所示,軸向力系數(shù)受湍流強度影響不是很大,相同來流速度下,湍流強度小,軸向力系數(shù)較大;對同一湍流強度下,來流速度大,軸向力系數(shù)較大,但來流速度為1.2 m/s時最大軸向力系數(shù)跟來流速度為0.4 m/s時最大軸向力系數(shù)差別不是很大。

      圖4 不同湍流強度時水輪機獲能系數(shù)Fig.4 Cp of tidal turbine when turbulence intensity is different

      圖5 不同湍流強度時水輪機軸向力系數(shù)Fig.5 CT of tidal turbine when turbulence intensity is different

      如圖6所示,不同湍流強度時,水輪機后方相同位置處軸向速度損失不同,且湍流強度越小,水輪機后方軸向相同位置處速度損失越大;湍流強度為3%時,水輪機后方軸向10D位置處速度損失依然在20%左右,而對于湍流強度為15%時,在水輪機后方軸向5D處速度損失可達到10%,即尾流場速度恢復(fù)更快。

      (尖速比為5,R0為水輪機中心,R+為水輪機半徑。The tip speed ratio is 5, R0 represents the center of tidal turbine, R+ represents the radius of tidal turbine.)

      圖6 不同湍流強度時水輪機尾流場流速損失
      Fig.6 The velocity deficit of tidal turbine wake field while turbulence intensity is different

      數(shù)值仿真中得到了相同來流速度下,不同湍流強度時水輪機后方尾流場速度云圖及湍流強度云圖,如圖7、8所示。

      圖7 不同湍流強度尾流場速度云圖對比圖Fig.7 Cloud graphics of wake field velocity magnitude under different inlet flow turbulent intensity

      圖8 不同湍流強度尾流場湍流強度云圖Fig.8 Cloud graphics of wake field turbulent intensity under different inlet flow turbulent intensity

      如圖7所示,相同來流速度時,湍流強度不同,尾流場長度也不同,且湍流強度越大,尾流場越小,即尾流場速度恢復(fù)越快,前排水輪機對后排水輪機影響更小。

      如圖8所示,相同來流速度時,湍流強度不同,流過水輪機后尾流場湍流強度也不同,且湍流強度越大,尾流場軸向和徑向影響范圍越大。

      4 與相關(guān)文獻的試驗結(jié)果進行對比

      為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性,將模擬結(jié)果與文獻[2]中的試驗研究結(jié)果進行對比。文獻[2]中Mycek P等[2]關(guān)于獲能系數(shù)、軸向力系數(shù)和尾流場速度損失試驗研究結(jié)果如圖9(a~c)所示。

      圖9 Mycek P等[2]部分試驗結(jié)果Fig.9 The experiment results of Mycek P

      將如圖4~6所示的不同湍流強度時水輪機獲能系數(shù)、水輪機軸向力系數(shù)和水輪機尾流場流速損失與如圖9所示的文獻[2]中Mycek P等的試驗研究結(jié)果進行對比,兩者的結(jié)果比較接近,變化趨勢基本一致。可見,利用CFD軟件對處于不同湍流強度下的潮流能發(fā)電水輪機性能進行數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

      5 結(jié)論及展望

      通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析,并與相關(guān)文獻[2]中的試驗結(jié)果進行對比,兩者結(jié)果比較符合,可以得到以下結(jié)論:

      (1)當來流速度相同時,湍流強度越大,水輪機獲能系數(shù)越??;當湍流強度相同時,來流速度越大,獲能系數(shù)越高。當存在湍流時,水輪機的獲能效率降低,獲能系數(shù)最大可降低10%左右。

      (2)湍流強度越大,水輪機軸向力系數(shù)略有減?。划斖牧鲝姸认嗤瑫r,流速越大,軸向力系數(shù)也越大。

      (3)湍流強度越大,水輪機后方尾流場流速恢復(fù)越快,當湍流強度為3%時,水輪機后方軸向10D處只恢復(fù)到80%左右,而當湍流強度為15%時,水輪機后方軸向5D處即可恢復(fù)到90%左右。因此,湍流強度對第二排水輪機的排布位置具有明顯的影響,湍流強度越大,適合安放第二排水輪機的前后間距越小。

      由于計算時間的原因以及與文獻[2]對比的需要,數(shù)值模擬中只設(shè)置了兩種典型的湍流強度。在后續(xù)研究中可對湍流強度進行進一步的細化,從而為湍流對潮流能發(fā)電水輪機的影響進行更加深入的研究。

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