潮汐机组双向发电性能数值模拟研究

杨春霞，郑 源

（河海大学　能源与电气学院，江苏　南京　211100）

潮汐机组双向发电性能数值模拟研究

杨春霞，郑 源*

（河海大学能源与电气学院，江苏南京211100）

为了提高潮汐机组双向发电的综合性能，研究了采用单侧、双侧导叶两种形式对贯流式潮汐机组水力性能的影响。基于N-S方程和RNG k-ε湍流模型，采用SIMPLIC算法，分别对采用单侧导叶、双侧导叶方案的水轮机全流道进行了三维定常数值模拟，分析了正向、反向发电时水轮机的内部流动状况。对不同导叶开度下水轮机的水头、流量和力矩等参数进行计算。结果表明，采用双侧导叶时，虽然正向发电效率有所降低，但反向发电的效率大大提高。

潮汐机组；单侧导叶；双侧导叶；数值模拟

潮汐能作为蕴藏在海洋中的一种可再生资源，蕴藏量非常巨大，世界海洋能蕴藏量约为20亿kW，可开发利用的容量达8亿kW，是可开发水电站容量的1/5，因此，潮汐能的开发潜力巨大。潮汐能是可再生、无污染的洁净能源，与常规水电能源发电站相比，潮汐发电没有水力发电带来的淹没损失和水土流失，运行中不消耗燃料，也没有核电站可能产生的辐射污染。建设潮汐电站，不需要移民，不淹没土地，还可以结合潮汐发电发展围垦、水生养殖和海洋化工等综合利用项目，开发优势明显。目前，世界上潮汐能资源较丰富的国家几乎都在进行开发利用研究[1]。

贯流式水轮机因其过流量大、转速高、效率高，且高效区宽、结构紧凑、布置简单等优点而成为开发低水头潮汐资源的一种最经济、适宜的水轮机形式。本文拟开发研究一种新型低水头大流量双向贯流式机组，在水头为2.5 m时，单机出力为150 kW，转轮直径为1.6 m。叶片数为3，导叶数为15。原型水轮机的主要工作参数为：额定水头2.5 m，最大水头3.65 m，最小水头2.0 m，平均水头2.5 m，设计单位流量2.0 m3/s。

采用CFD理论[2-4]进行流动计算，计算分析采用单侧导叶、双侧导叶对水轮机水力性能的影响。计算了不同导叶开度下水轮机的水头、流量和力矩等参数，并计算出水轮机的效率和出力。

1　数值模拟

1.1几何模型

图1为低水头大流量贯流式水轮机组的整体流道示意图。由图可见，在转轮的两边分别有活动导叶1和活动导叶2。正向发电时，活动导叶2全开，通过调节活动导叶1的开度来调节通过水轮机的流量；反向发电时，活动导叶1全开，通过调节活动导叶2的开度来调节通过水轮机的流量。数值模拟计算区域为图1所示的水轮机整体流道。

图1　双侧导叶贯流式水轮机整体流道示意图

1.2数值模拟方法

考虑到流动为三维不可压缩粘性流体，数值计算采用连续性方程和Navier-Stokes[5]方程为控制方程，即：

1.3算法及边界条件

计算区域为进水流道、导叶段、转轮室和出水流道。网格采用适应性强的四面体非结构化网格。采用压力进口和压力出口边界条件。速度项、湍动能项和湍动能粘度系数项采用二阶迎风格式进行离散。速度和压力方程用SIMPLEC算法耦合[6-8]。在固壁区采用无滑移边界条件，在近壁区采用标准壁面函数。

2　双向发电性能数值模拟

2.1单侧导叶和双侧导叶时正向发电性能

图2为单侧导叶竖井贯流式水轮机全流道示意图。导水机构是水轮机的一个重要部件，导叶是过流部件中的主要部分，水流经过导叶后形成一定的环量，同时还可以均匀分布，最终轴对称地旋转着进入转轮。常规的水轮机只有一侧导叶，表1给出了单侧导叶和双侧导叶时水轮机的正向发电性能计算结果。由表1可见，只有一侧导叶（安放在竖井末端）时，正向发电效率较高，水力性能较好。采用双侧导叶时，通过水轮机的流量降低，效率和出力也都下降。可见，对于正向发电而言，采用单侧导叶具有较好的发电性能。

图2　单侧导叶竖井贯流式水轮机全流道示意图

表1　单侧导叶和双侧导叶正向发电情况数值计算结果

图3和图4分别为单侧导叶和双侧导叶正向发电时轴面流速分布图，由图可见，两种情况下，进水流态沿竖井呈对称分布，且水流未受到导叶及水轮机叶轮扰动及环量的影响，流动稳定。流速比较均匀地进入转轮，流线平顺，没有产生局部漩涡等不良流态。

图3　单侧导叶水轮机正向发电时流速分布图

图4　双侧导叶水轮机正向发电时流速分布图

2.2单侧导叶和双侧导叶时反向发电性能

反向发电时竖井段为出水流道，表2给出了单侧导叶和双侧导叶时水轮机的反向发电性能计算结果。由表2可见，只有一侧导叶（安放在竖井末端）时，反向发电的效率较低，只有71.55%。采用双侧导叶时，通过水轮机的流量有所降低，但是反向发电效率大幅提高，达到80.66%，出力也有所提高。可见，对于反向发电而言，采用双侧导叶具有较好的性能。

表2　单侧导叶和双侧导叶反向发电情况数值计算结果

图5和图6分别为单侧导叶和双侧导叶反向发电时轴面流速分布图，由图可见，反向发电时，单侧导叶和双侧导叶的进水流线平顺，流态较好；但是在竖井的末端，流道的出口都有漩涡产生，流态较差，水力损失较大，从而使得反向发电效率不高。

图5　单侧导叶水轮机反向发电时流速分布图

图6　双侧导叶水轮机反向发电时流速分布图

3　不同导叶开度下计算结果分析

图7给出了采用单侧导叶、双侧导叶正向发电时，数值模拟计算结果。由效率-流量曲线可见，采用单侧导叶或双侧导叶时，两者效率随流量的变化趋势相同，都呈现先上升后下降的趋势，正向发电的最高效率都在85%以上。采用双侧导叶时，其发电效率比采用单侧导叶时有所下降。由出力-流量曲线可见，采用单侧导叶或双侧导叶时，两者出力随流量的变化趋势相同，最大出力都在150 kW以上。采用双侧导叶时，水轮机出力比采用单侧导叶时也有所下降。

图7　正向发电数值模拟结果

图8给出了采用单侧导叶、双侧导叶反向发电时，数值模拟计算结果。由效率-流量曲线可见，采用单侧导叶或双侧导叶时，两者效率随流量的变化趋势相同，都呈现先上升后下降的趋势。采用双侧导叶时，反向发电效率比采用单侧导叶时大幅提高，最高发电效率达81%。由出力-流量曲线可见，采用单侧导叶或双侧导叶时，两者出力随流量的变化趋势相同，都呈现先上升后下降的趋势。采用单侧导叶或双侧导叶时，反向发电的最大出力都在150 kW以上。采用双侧导叶时，反向发电的出力大大提高。

图8　反向发电数值模拟结果和试验结果对比

综上所述，采用双侧导叶时，虽然正向发电效率和出力有所降低，但是其反向发电效率大幅提高，且反向发电的出力也有所上升。因此，考虑到水轮机的双向发电性能，决定采用双侧导叶结构。

4　结论

本文对设计开发出的新型低水头大流量双向贯流式潮汐机组在2.5 m水头下、不同导叶开度时的工况，采用单侧导叶和双侧导叶时，分别进行了数值模拟研究。结果表明：

（1）数值模拟结果表明，采用单侧导叶时，机组正向发电效率较高，出力较大，效率为90.49%，流量为8.45 m3/s，出力为187.46 kW；反向发电时，机组的效率很低，最高效率只有71.55%，出力为156.88 kW。

（2）采用双侧导叶时，机组正向发电最高效率降低到85.81%，流量为7.98 m3/s，出力为167.94 kW；反向发电的效率大幅提高，最高发电效率为80.66%，流量为8.19 m3/s，出力为162.01 kW。

（3）综合考虑正向发电和反向发电性能，采用双侧导叶效果较好。

[1]段宏江，张继成.大型潮汐电站关键技术浅析[J].西北水电,2012(s1)：28-33.

[2]N C Markatos.Computational Fluid Flow Capabilities and Software,[J].Ironmaking and Steelmaking,1989,16(4):266-273.

[3]Vishnu Prasad.Numerical Simulaiton for Flow Characteristics of Axial Flow Hydraulic Turbine Runner[J].Energy Procedia,2012,14: 2060-2065.

[4]J G I.Hellstrom,B D Marjavaara,T S Lundstrom.Parallel CFD Simulations of an Original and Redesigned Hydraulic Turbine Draft Tube[J].Advances in Engineering Software,2007,38:338-344.

[5]D Shirokoff,R R Rosales.An Efficient Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations on Irregular Domains with No-Slip Boundary Conditions,High Order up to the Boundary[J].Journal of Computational Physics,2011,230:8619-8646.

[6]Van Doormal J P,Raithby G D.Enhancement of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flow[J].Numer Heat Transfer, 1984,7:147-163.

[7]冯卫民,宋立,左磊,等.轴流泵装置三维非定常湍流流场的数值模拟[J].排灌机械工程学报,2010,28(6):531-536.

[8]Patankar S V,Spalding D B.A Calculation Procedure for Heat,Mass and Momentum Transfer in Three Dimensional Parabolic Flows[J]. Int J Heat Mass Transfer,1972,15:1787-1806.

Research on the Numerical Simulation of a Tidal Unit's Bidirectional Power Generating Performance

YANG Chun-xia,ZHENG Yuan
College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,Jiangsu Province,China

In order to improve the bidirectional power generating performance of a tidal unit,study is conbducted on the influence of two forms of design,unilateral and double guide vanes of tubular tidal unit,on the hydraulic performance of the tidal unit.Based on the N-S equations and RNG k-ε turbulence model,the SIMPLIC algorithm is used for 3-D steady numerical simulation of the turbine's whole flow passage,with unilateral and double guide vanes respectively adopted.The internal flow condition is analyzed under the forward and reverse power generating conditions.At the same time,the turbine's water head,flow-rate and moment are calculated under different guide vane openings.The results show that,with double side guide vanes,the efficiency of positive power generation decreases,but the efficiency of reverse power generation improves substantially.

tidal units;unilateral guide vane;double guide vanes;numerical simulation

TK79；P743.3

A

1003-2029（2016）05-0037-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.007

2016-07-10

中央高校基本科研项目资助——潮汐电站中竖井贯流式水轮机的水利优化研究（2015B12514）

杨春霞（1988-），女，讲师，主要从事水利水电工程及流体机械研究。E-mail:yangchunxia@hhu.edu.cn

郑源（1964-），男，教授，博士生导师，主要从事水利水电工程、流体机械研究。E-mail:zhengyuan@hhu.edu.cn