配有导流涵道的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能研究

张　欢，程帅兵，陈　兵

（大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁　盘锦 124221）

配有导流涵道的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能研究

张欢，程帅兵，陈兵*

（大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁盘锦 124221）

垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、适应任意流向等优点，但其能量转换效率低于水平轴水轮机，在运行时有较大的转矩脉动，不利于水轮机的平稳运行，易引起结构疲劳。本文针对垂直轴潮流能水轮机的运行特点，提出了一种导流涵道装置，利用数值模拟方法对比分析水轮机在有无导流涵道装置情况下的水动力性能。结果表明，导流涵道可以起到整流的作用，使流体在水轮机盘面内的流动更加平顺。另外，导流涵道装置不仅可以提高水轮机的能量利用率，还能有效改善作用在水轮机叶片上的水力驱动力矩脉动和转速脉动，改善了水轮机运行状态，提高了结构可靠性。

垂直轴水轮机；导流涵道；数值模拟；能量利用率

资源与能源是人类生存和发展所必须面对的问题之一。随着化石能源的过度消耗，环境问题的日益恶化，人们不得不将目光转向那些可再生能源，如风能、太阳能、海洋能等。潮流能不仅是一种清洁能源，而且与其他海洋能相比，具有可预测性高、能量密度大的特点，因此逐渐受到世界各国研究人员的重视。目前，许多沿海国家，如英国、加拿大、美国、韩国等正在大力开发潮流能资源。我国同样也投入大量的人力和财力对这一领域进行研究。然而，由于经济因素及技术因素的制约，潮流能发电目前还未能到商业化阶段。

潮流能水轮机可分为水平轴式和垂直轴式；水平轴潮流能水轮机被认为是能量利用率最高的潮流能发电装置，据报告其能量利用率可以达到48%［1］。但是，水平轴水轮机必须时刻使叶轮面向来流方向；另外，水平轴水轮机的叶片表面形状是复杂的扭转曲面，加工较困难。与之相比，垂直轴水轮机可以在任意来流方向下运行，不需要变向调控装置，结构更加简单，具有其自身的优势。

垂直轴式按驱动力类型可分为阻力型和升力型。较著名的Savonius垂直轴水轮机是一个典型的阻力型潮流能发电装置，这种装置通常在低流速条件下运行，人们曾做过大量的尝试来优化它的效率，但被记录过的最大效率只有20%［2］。而升力型垂直轴水轮机的效率比阻力型高，通过已知记录的数据可以了解到，该型水轮机效率可达到33%［3］。

目前，研究潮流能水轮机水动力性能的方法主要有两种：模型实验和数值模拟。数值模拟不受比尺效应影响、成本低、可记录全面的流场信息，已逐渐发展成为不可或缺的研究手段。国内外研究人员利用不同的模拟方法，对垂直轴潮流能水轮机的水动力性能进行了研究。Lam和Dai等［4］分析了不同形式的直叶片的水动力性能；Hwang等［5］利用粘性CFD方法研究了直叶片水轮机在固定转速下不同叶片数量、叶尖速比及攻角对水轮机水动力性能及能量利用率的影响；Li等［6］使用UBC离散涡方法分析了不同叶尖速比情况下水轮机的输出功率及扭矩波动情况。Le［7］利用粘性CFD方法分析了水轮机在给定负载力矩下的水动力性能。

潮流的功率与流速的三次方成正比［8］，相比于风能，虽然潮流的能流密度大，但流速较低。为了提高潮流的流速，许多学者将应用于风力发电中的导流涵道装置引入到潮流能发电领域，用以提高水轮机的输出功率。导流涵道装置主要有两种形式：一种为首尾对称形式，其考虑到潮流流向的往复性特点，将导流涵道的入流段与出流段的型线设计成对称形式，使其在双向来流下均可获得一定的增速效果。张亮，Wan，Setoguchi等学者［9-11］曾研究了对称式导流涵道各个参数对增速性能的影响。另一种是非对称形式的导流涵道，其是将导流涵道装置的出流段型线设计成向外扩张的形式，当水流流过装置时，会在出流段附近形成一个低压区，前后压差产生的抽吸效果可以使通过水轮机的潮流流速增加，进而提高水轮机输出功率。Ponta［12］设计了一款尾部扩张形式的导流涵道，并通过实验方法对其水动力性能进行了分析；Alidadi［13］利用软件对导流涵道外形进行了优化，并通过实验进行了验证；Malipeddi［14］比较了不同参数下导流涵道的水动力性能；Cosoiu［15］将由多块NACA叶片组成的水平轴风机的导流涵道引入到垂直轴潮流能水轮机上，并研究其对水轮机水动力性能的影响。

当导流涵道中不放置水轮机时，通常涵道内的流速会大于来流流速。但涵道中放置水轮机后，若水轮机对水流的阻力太大，水流也可能绕过涵道从周围流走，反而使涵道内流速减小。因此水轮机和导流涵道的相互匹配是需要进行系统研究的。

2011-2013年，大连理工大学海洋能研究团队在中国国家海洋局公益项目的资助下，曾在大连长山岛海域开展了15 kW潮流能水轮机发电项目，开发的垂直轴水轮机发电装置在试运行期间运行良好［16-17］。本文采用与之前在海洋局项目中所使用的相类似的潮流能水轮机，并提出采用导流涵道装置的改进方案。通过数值模拟方法对比分析水轮机在有无导流涵道情况下的水动力性能，验证了装置在增速方面的效果。这为之后的水轮机及导流涵道装置的设计与研究提供一定的参考。

1　模型及参数

1.1垂直轴水轮机设计参数

表1　垂直轴水轮机设计参数

1.2导流涵道参数

导流涵道采用非对称式结构。首端为光滑的弧形曲面，可避免偏向来流造成流线分离；尾端为向外扩张形式的结构，其具体形式和尺寸参数如图1所示，单位为m。

图1　导流涵道模型

2　研究方法

2.1原理介绍

目前对潮流水轮机的数值模拟，大多采用两种方法：一种是让水轮机以恒定的转速旋转来分析它的水动力性能，这是一种简化的方法，与水轮机真实的运行状态存在一定的差异；另一种是让水流驱动叶轮，带动水轮机旋转。在这种方法中，水轮机的转速是变化的，其大小由水轮机自身的转动惯量、作用在叶片上的水力驱动力矩及水轮机输出端的负载力矩所决定［7］。

水轮机运动方程式（1）所示：

式中：J为垂直轴水轮机的转动惯量；θ''为水轮机旋转角加速度；MF为各叶片上所产生的水力驱动力矩之和；MA为水轮机输出端的负载力矩。

水轮机输出端的负载力矩可由式（2）确定［18］：

式中：ω为水轮机的转速；b为与负载有关的一个常数，称为负载系数。

由于转矩和转动角速度不是恒定的，因此水轮机的输出功率也是随时间变化的，功率可以用下列参数进行计算，公式如下：

式中：ω为水轮机的旋转角速度，平均输出功率Pm可通过对瞬时功率P进行时间平均求得。

水轮机的能量利用率为：

式中：ρ为流体密度；V为自由来流速度；S为水轮机迎流面积。

定义尖速比λ为：

式中：R为水轮机叶轮的旋转半径。

2.2数值模拟方法

本文采用二维CFD方法对问题进行分析。通过对不同网格数量和计算流体域尺寸进行无关性校验后，确定的尺寸方案如图2所示。

图2　计算域及网格系统

图2（a）为水轮机的计算域示意图。流体域被分为两部分，一部分为包含水轮机的旋转域，其直径为4.4 m，其余部分为固定域，两个域的交界面采用滑移网格方式进行数据传递。设旋转域直径为D，计算流体域最左端为流体入口边界，其到旋转域最前端的距离为5倍D；计算流体域最右端为流体出口边界，到旋转域的距离为15倍D；上下两端为对称边界，到旋转域的距离为10倍D。

图2（b）为带导流涵道水轮机的计算域示意图。设导流涵道的长为L，宽为B，流体域入口边界到导流涵道首端的距离为5倍L，出口边界到导流涵道尾端的距离为15倍L，上下对称边界到导流涵道上下两端的距离为10倍B。

采用基于有限体积法求解N-S方程的ANSYS FLUENT软件作为流体求解器，并利用基于压力校正法的雷诺平均N-S模型来计算非稳态条件下的流体特性；入口边界设置为v=2 m/s的速度入口；出口边界则设置为相对压力P=0的压力出口；固定域与旋转域的交界面设置成滑移边界条件用以在界面上传递数据；湍流模型采用SST-k-ω模型；时间步长设置为0.000 3 s；网格方案为分区的结构化网格，数量为100万左右；采用ANSYS FLUENT软件本身提供的UDF宏并结合水轮机的运动方程来控制水轮机的旋转运动。

在某一流速下，水轮机的输出功率与负载有关，负载系数b即体现了负载的大小。考虑到本文主要目的是探究水轮机在有无导流涵道下的运动规律及导流涵道的增速效果。因此，只对负载系数b=6 300进行分析。在计算过程中监测了流场的压力变化情况及水轮机转速、转矩、能量利用率等的变化情况。

3　结果分析

图3为有水轮机存在的情况下导流涵道周围的压力分布云图。从图中可以看出，有导流涵道存在的情况下，在导流涵道内部的前半段及向前延伸的部分区域内，这部分流体的压力明显高于涵道上游来流的压力，而涵道两侧流体的压力小于上游来流的压力。因此，当上游来流遇到高压的涵道区域后，在压差的作用下，会形成一个向外流动的趋势，而由于涵道两侧的压力较低，会使这部分外流的流体绕过涵道，并从其两侧加速流过。如图4所示。

图3　有导流涵道情况下的压力云图

图4　有导流涵道情况下的流线图

在图4中可以明显观察到，上游流体在到达导流涵道之前就已经发生了向两侧分流的现象，而且越接近涵道首端，分流的情况越明显。

导流涵道首端8.29 m宽度的迎流截面及喉部5.40 m宽度的迎流截面的自由来流质量流量的理论值分别为16 580 kg/s和10 800 kg/s。而通过监测导流涵道喉部来流截面的质量流量发现，流过喉部的流量为7 000 kg/s左右，该值不仅远低于整个导流涵道迎流横截面所对应的自由来流流量，而且还小于喉部截面尺寸下自由来流的流量。如图5所示。

图5　通过导流涵道喉部截面的质量流量

对输出功率进行时间平均，求得水轮机在有无导流涵道情况下的能量利用率，如表2所示。

表2　水轮机的能量利用率

根据之前分析得出的结论，导流涵道内的流量远远低于自由来流时的流量，流量的降低通常会导致能量提取效率的降低。然而从表2中可以看出，当负载系数b取6 300时，单独的水轮机的能量提取效率可以达到46%，而当加上导流涵道后，效率在原来的基础上提升了0.26倍，达到了58%。这是因为，导流涵道不仅仅只是通过提高流量、增加流速来增大水轮机的能量提取效率，它还起着整流的作用。在无导流涵道存在的情况下，水轮机上游盘面内的流体向两侧流动的趋势比较明显，如图6（a）所示。而当将水轮机置于导流涵道内部时，由于有导流涵道内壁的阻挡作用，使得水流的流向与原来方向基本保持一致，如图6（b）所示。此时，对于水轮机旋转盘面内的截面而言，将有更多的流体通过。另外，从图6（c）与图6（d）对比可以看出，单独水轮机时，流线在整个盘面内比较乱，说明此时有较强的紊流出现；而加上导流涵道之后，流线明显较之前平顺很多，说明导流涵道还起到了整流的作用。

图6　水轮机周围流线图

另外，水轮机在实际运行中，其转速及作用在叶片上的水力驱动力矩是随时间变化，且脉动的很厉害。这种脉动容易使水轮机的结构发生疲劳失效，是垂直轴水轮机的主要劣势之一。然而，当水轮机在导流涵道内运行时，水力驱动力矩与转速脉动的幅度明显减小，如图7所示。以转速为例，对于无导流涵道的水轮机，其时间平均后的转速为2.12rad/s，而反映转速脉动情况的标准差为0.34；当将该水轮机置于导流涵道内运行时，其时间平均后的转速升为2.40 rad/s，标准差则降为0.13。说明导流涵道不仅可以提高水轮机的水力驱动力矩及转速，还可以有效降低二者的脉动幅度，有助于提高结构的可靠性。

图7　导流涵道对水轮机的水力驱动力矩及转速的影响

4　结论

本文采用数值模拟的方法对三叶片垂直轴潮流能水轮机在有无导流涵道的情况下水动力性能及能量利用率进行了分析，得到如下结论：

（1）水轮机的存在会在导流涵道内形成阻塞效应，使涵道内部的压力升高，造成前方来流部分绕过涵道从两侧流走，降低了通过导流涵道的流体流量。

（2）流体在流过单独水轮机盘面时，流线向外扩张，而导流涵道的内壁可以抑制这种趋势，使来流在水轮机的整个盘面内保持流向的一致性，增大下游盘面叶片可利用的流量。同时，导流涵道的存在还起到整流的作用，避免了水流的整个水轮机作用盘面产生较大的紊流。

（3）根据计算结果可知，导流涵道的存在可使水轮机能量利用率从47%增大到58%，提高了0.26倍。

（4）导流涵道不仅增大了作用在叶轮上的水力驱动力矩及水轮机的旋转速度，还有效减轻了二者的脉动情况。平均转速由原来的2.12 rad/s升为2.40 rad/s，涨幅13%；尖速比则由原来的4.24升至4.80；反映波动剧烈程度的标准差也由原来的0.34降为0.13，极大提高了结构的安全可靠性。

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Study on the Hydrodynamic Performance of Ducted Vertical Axis Tidal Turbines

ZHANG Huan，CHENG Shuai-bing，CHEN Bing
School of Ocean Science and Technology，Dalian University of Technology，Panjin 124221，Liaoning Province，China

Although vertical axis tidal turbine holds the advantages of simple structure and being able to work in any direction of flow，it has a lower power coefficient than horizontal axis tidal turbine.In addition，hydrodynamic torque on rotors also shows fluctuation in operation，which has negative effects on the smooth operation and structural safety of the turbine.Considering the drawbacks of vertical axis tidal turbine，this paper presents a feasible duct device，and compares and analyzes the hydrodynamic performances of non-ducted tidal turbine and ducted tidal turbine，respectively.The results show that the duct can smooth the flow in the whole circle of turbine.What is more，a ducted turbine can also capture more power from tides and reduce the fluctuation of hydrodynamic torque on rotors and rotational speed of the turbine，which will benefit the structural safety.

vertical axis tidal turbine；duct；numerical simulation；output power coefficient

P743；TK73

A

1003-2029（2016）04-0097-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.018

2016-03-05

国家自然科学基金资助项目（51379036）

张欢（1989-），男，硕士研究生，主要从事海洋能源装备方面研究。E-mail：huanzhang@mail.dlut.edu.cn

陈兵（1970-），男，副教授，主要从事港口工程结构方面的研究工作。E-mail：chenbing@dlut.edu.cn