三维竖轴潮流水轮机水动力性能研究

高 杰 龚希武 张 恒

（浙江海洋大学 船舶与海洋工程学院 舟山316022）

三维竖轴潮流水轮机水动力性能研究

高 杰 龚希武 张 恒

（浙江海洋大学 船舶与海洋工程学院 舟山316022）

竖轴水轮机作为潮流能转换为电能的核心装置，其水动力性能的优劣将会直接影响到整体发电系统的效率。为了研究大型竖轴水轮机叶片安装角对水轮机水动力性能的影响，基于多参考系模型（MRF），采用Fluent软件对流场中的模型进行3D数值模拟。在转速和来流速度保持不变，改变安装角时，分析同种翼型5个不同安装角叶片对潮流能水轮机的水动力性能的影响。同时分析在同一安装角和旋转速度条件下，不同来流速度对水轮机水动力性能的影响。结果表明，叶片安装角对竖轴潮流水轮机的能量利用率影响较大，来流速度对水轮机叶片表面的静压力和输出功率具有一定的影响。研究结果对今后竖轴水轮机的设计和生产具有借鉴意义。

潮流能水轮机；水动力性能；安装角；流速；数值模拟

引 言

随着社会经济的快速发展，人类在生产生活中对能源的需求与日俱增，以化石能源为主的能源日益枯竭，与此同时，人类的生活环境也遭到前所未有的污染。由于潮流能具有无污染、储存能量高、可再生且具有可预测性等特点，竖轴潮流能水轮机作为潮流能转换为电能的核心装置，启动方便，工作不受来流方向改变而受到影响，得到了广泛应用［1］。目前，竖轴潮流能水轮机水动力特性的研究方法主要有动量定理法［2］、涡方法［3］以及基于雷诺平均Navier-Stocks方程求解N-S方程的CFD方法［4］。为设计出工作效率更高的潮流能水轮机，很多研究者对水轮机竖轴进行过大量研究。付士凤［5］基于滑移网格分析了不同翼型对潮流能水轮机内部流场和水动力性能的影响。张亮［6］建立了叶片偏角变化规律的数学优化模型，从而提高了水轮机的能量利用率。朱萍［7］同样运用滑移网格对垂直轴水轮机流场进行过数值模拟。但是对于竖轴水轮机，其研究的主要是直径不超过3.5 m的小直径水轮机，鉴于此种情况，文章在以上研究基础上，建立了直径为4 m的三维竖轴潮流水轮机，运用Fluent模拟软件对比了在五种不同叶片安装角时的水轮机功率系数，找出最佳安装角，并在此基础上分析了在不同来流速度下叶片及其周围的压力和速度变化，为以后进行模型试验和叶片优化提供参考。

1 竖轴潮流水轮机模型建立

根据设计尺寸，运用Solidworks三维建模软件建立水轮机模型（见图1），并通过网格化软件Gambit对模型进行网格划分，采用非结构化网格，并用形状函数对水轮机叶片周围以及旋转域进行网格加密（见图2）。

图1 竖轴潮流水轮机模型

图2 计算域网格划分

表1 三维竖轴水轮机模型参数

表1为该水轮机模型参数。对于竖轴水轮机，叶轮高径比范围在0.8 ～ 1.5，本文选1。采用Fluent软件，设置流速V = 2 m/s、转速ω = 1.4 rad/s。叶片安装在0.30c～0.50c之间，水动力性能较好［8］，本文选取0.50c处。

2 边界条件设置

入口采用Velocity速度入口，出口采用Pressure-out压力出口，旋转域与流场域通过Interface面实现流体的自由交流，求解器为基于压力基，定常运动。选择湍流模型标准的k-epsilon，水轮机叶片设置为Moving Wall，旋转轴为Z轴。水轮机的旋转模型选择MRF模型，设定旋转轴为Z轴、旋转点（0，0，0）和额定转速1.4 rad/s。压力速度耦合选择SIMPLE算法，离散化格式中压力为Second Order Upwind二阶迎风格式。

水电机组以流速 运转时的雷诺数：

湍流强度的计算公式：

输出功率：

功率系数：

横截面积：

式中：M为转矩，N·m；ω为旋转角速度，rad/s；Cp为功率系数，h为叶片展长，m；D为水轮机直径，m。

3 结果与分析

3.1 不同叶片安装角时水轮机的水动力性能

如表2所示，在相同来流速度下，随叶片安装角的增加，水轮机的功率系数呈先增长后下降趋势，且系数范围在理想最大功率系数0.59范围之内，符合实际水轮机工作状况。

表2 不同叶片安装角下的输出功率以及功率系数

由表2可见，当水轮机安装角在-11°时，功率系数相对较大；到-12°时，功率系数下降。下文将直接分析当安装角由-7°～ -11°间的变化过程。

如下页图3所示，在水轮机转速不变的情况下，随着来流速度的增加，水轮机的功率系数逐渐减小。虽然安装角不同，但其变化趋势是一致的。可见，随着安装角由-7°～ -11°，水轮机的能量利用率逐渐增加，当安装角达到-11°时，其转矩以及输出功率达到了最大值。根据式（4）可知具有对应最高能量利用率。

在不同叶片安装角情况下，水轮机叶轮中心线处的静压力变化曲线基本一致，但是随着安装角的逐渐增加，水轮机迎流面与背流面的压力差越来越大。叶片压力面与吸力面之间的压差越大、工作效率越高，说明在安装角达到-11°时，水轮机工作效率最高，这与之前得到的论证相符合。下面将选择安装角为-11°的水轮机进行水动力性能分析。

3.2 速度与静压力曲线分析

Line-20过叶轮正中心的一条直线，Line - 21和Line - 22为过叶轮左右边缘的两条直线，下面是安装角为-11°，速度为2 m/s时沿三条直线不同位置处的速度变化曲线和静压力变化曲线。

经图5、图6分析，在同一叶片安装角、不同位置处，静压力和水流速度经过水轮机叶轮后均恢复至和原来数值。在水轮机叶轮中心线处，静压力有突变趋势，因为叶片和轮毂正对水流，受到水流对叶轮的正压力，于是叶轮压力面的压力瞬间升高；但是在叶轮背面，作为吸力面，静压力变为负值，正是由于叶轮压力面与吸力面的压力差，才会推动水轮机旋转工作。在相同叶片安装角时，在叶轮中心线处和叶轮两个边缘处，中心线处速度会先下降再上升，而两侧则不同，在下侧速度先上升再下降，上侧先下降再上升。这与水轮机叶片的转动方向有关，来流方向与水轮机转动方向相反时，速度会先下降再恢复，而与水轮机转动方向相同时，速度会先上升再恢复。朱萍［7］的研究也印证了这一点。

图3 功率系数随安装角变化

图4 不同叶片安装角时水轮机中心线静压力变化图

图6 速度变化曲线

图7 不同流速下静压力曲线

叶片安装角为-11°时，不同来流速度下的叶轮中心线处的静压力变化为：若水轮机叶轮前后压力完全相同，当遇到水轮机时，该处静压力均呈现出先突增再突减的状态，但若是速度不同，其最大和最小静压力值也不相同。来流速度越大，最大静压力值越大，最小静压力值越小，水流速度越大能量越高，于是对水轮机叶片产生的表面静压力也就越大，与事实相符合。

3.3 速度云图分析

速度云图如图8所示。当安装角为-11°时，来流速度从1.5 m/s到3 m/s的过程中，整个流场区域尾流平均速度也越来越大，叶轮内部的扰动增强，尾流区域由平稳变得紊乱，流场中出现漩涡且漩涡作用范围增大。来流速度的改变将会影响流场的分布和水轮机的旋转，进而影响水轮机的输出功率。

图8 速度云图

设置其他参数保持不变，改变来流速度，来流速度依次取为1.5 m/s、2 m/s、2.5 m/s、3 m/s。分别得出四种工况下水轮机的输出功率，其功率输出曲线如下页图9所示。

图9 输出功率曲线

4 结 论

（1）对于直径4 m的水轮机，采用NACA0018翼型时，安装角选择-11°有较好的功率系数，使潮流能得到充分利用。

（2）当安装角为-11°时，水轮机压力面与吸力面的压差值最大，压差值越大水轮机工作效率越高。

（3）对于三叶片竖轴水轮机，其沿来流中心线处的压力与叶片边缘处的压力不一致，这与水轮机旋转方向同来流方向是否一致有关。

（4）在叶片安装角相同时，叶片表面压力差与来流速度有关。速度越大、压力越大，所以在进行叶片材料选取和安装时，要综合考虑水域水流速度，以提高使用寿命。

（5）当叶片安装角相同时，来流速度增加，水轮机输出功率先增加后减小，这是由于来流速度过大，容易造成流场尾流紊乱，从而减小水轮机的输出功率。

［1］汪鲁兵.竖轴潮流水轮机水动力性能理论与实验研究［D］.哈尔滨工程大学，2006.

［2］刘培检.垂直轴水轮机水动力性能的数值模拟研究［D］.华南理工大学，2013.

［3］Li Y，Calisal S M.A discrete vortex method for simulating a stand-along tidal-current turbine：modeling and validation［J］.Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2010（3）：1-9.

［4］李志川，张亮，孙科，等.垂直轴潮流水轮机数值模拟研究［J］.太阳能学报，2011（09）：1321-1326.

［5］付士凤，李龙，邓力，等.基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟［J］.水电能源科学，2014（7）：140-143，119.

［6］张亮，罗庆杰，韩荣贵.垂直轴潮流能水轮机叶片偏角优化［J］.哈尔滨工业大学学报，2011（S1）：281-285.

［7］朱萍，成明.垂直轴潮流水轮机流场的三维数值模拟［J］.现代电力，2012（2）：68-71.

［8］李志川，张学伟，张亮，等.固定偏角垂直轴潮流能水轮机叶片安装位置试验研究［J］.可再生能源，2012（4）：37-41.

On hydrodynamic performance of three dimensional vertical shaft tidal current turbine

GAO Jie GONG Xi-wu ZHANG Heng
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022，China）

Vertical shaft turbine is the core device of the tidal energy conversion to electric energy，and its hydrodynamic performance will directly affect the efficiency of the whole power system.The 3D numerical simulation for the model in the flow field is carried out by Fluent with the multi reference system model（MRF）to research the influence of the installation angle of the large vertical shaft turbine blade on the hydrodynamic performance of the turbine.The influence of the blade installation angle on the hydrodynamic performance of the tidal current energy turbine is analyzed with five different blade installation angle but the same foil shape by keeping constant rotating speed and flow rate.The influence of inflow velocity is also analyzed with different rotating velocities but the same installation angle.The results show that the blade installation angle has a great influence on the energy utilization rate of the vertical shaft tidal current turbine，and the inflow velocity has a certain influence on the static pressure and the output power of the turbine blade surface.It can provide references for the design and production of the vertical shaft turbine in future.

tidal current energy turbine； hydrodynamic performance； installation angle； flow rate； numerical simulation

TK73

A

1001-9855（2016）05-0022-06

国家自然科学基金：海上风能/潮流能互补发电浮式基础载荷与运动响应研究（编号：No.51579223）。

2016-06-25；

2016-07-13

高 杰（1990-），男，硕士，研究方向：海上潮流能发电。龚希武（1973-），男，副教授，研究方向：海上潮流能发电。张 恒（1987-），男，硕士，研究方向：海上潮流能发电。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.022