轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究

DOI：10.16076/ki.cjhd.2016.01.013陈正寿，等：轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究 91引言作为一种清洁可再生能源，潮流能的能量密度大、储量丰富、可预测性强，开发利用前景广阔[1]。

潮流能的主要利用方式是发电，水轮机作为一种重要的潮流能换能装置，它在整个潮流能利用过程中起着重要作用。

海洋潮流冲击水轮机，使水轮机转动产生机械能，通过机械传动带动发电机发电[2]。

由来流总功率的计算公式可知，潮流中蕴含的能量与流速成三次方关系[3]。

我国潮流能流速普遍偏低，这样就直接导致了潮流能水轮机发电效率不高[4]。

为提高潮流能水轮机发电效率，通常采用方法是在水轮机叶轮外围加装导流聚能装置[5]。

导流罩内流场和叶轮尾流场研究对水轮机的获能过程以及水动力性能分析具有重要意义，但是目前国内外的研究为数不多。

张亮等[6]应用Fluent软件计算了导流罩内流场情况，发现导流罩提高了叶轮所在区域的水流速度，有利于提高水轮机功率。

安佰娜[7]对水轮机模型进行流场实验和数值模拟，测得单机组潮流能水轮机尾流场中速度变化数据。

沈云等[8]应用Fluent 软件对单个水平轴潮流能水轮机模型在额定流速条件下进行三维流场的数值模拟，发现不同半径处尾流流场特性有很大差异。

韩国Chul-Hee Jo 等[9]应用CFD 软件，对一额定功率为300 KW 的水平轴潮流能水轮机叶轮尾流速度分布进行研究，发现叶轮尾流流速在下游2D 至8D （D 为叶轮直径）范围内恢复较快。

基于英国SMD Hydrovision 公司设计的锚泊式水轮机TIDEL 的启发，作者研制出一种轴流悬浮式潮流能水轮机发电装置，加装导流罩于叶轮周围，以提高其发电效率，如图1所示。

本文采用数值计算（CFD ）方法对该潮流能水轮机导流罩内流场和叶轮尾流场进行研究，计算得到不同流线型导流罩内部流场的压强与速度分布，依据规律得到水动力性能优秀的导流罩线型。

通过算例对比，分析有无导流罩工况下水轮机获能效率差异，初步研究了叶轮尾流场速度分布，并通过水池模型实验对数值仿真有效性进行验证。

1 水轮机设计参数关于导流罩线型设计相关的研究成果比较多，目前被实际采用较多的优秀线型方案有维氏曲线型和双三次曲线型等几种[10]。

作者已对导流罩线型设计进行了前期研究，发现对导流罩聚流后的流速、流向、壁面所受阻力影响较大的参数是：导流罩内壁中收缩段和扩散段的进出口曲线前后连接点比例m x [11]。

依据该参数，本文共拟定了10种线型：1种维氏曲线与9种双三次曲线。

通过改变导流罩内壁线型，对不同导流罩结构进行数值模拟计算，试图从这10种优秀线型中找出水轮机最优获能时导流罩的线型。

借鉴常用的线型设计方案，本文作者提出了内壁为收缩段，直线段和扩散段的三段式导流罩结构，为了便于实际导流罩的加工制 Through comprehensive comparison among ten kinds of diffusers, it has been found that the flow inside diffuser with 0.3m x =cubic curve is more steady and uniform superior to others. In order to investigate the flow characteristics in the wake behind turbine and the power conversion effect of turbine, the comparison between turbines with and without diffuser has been carriedout. Based on the case of 0.3m x = cubic curve diffuser, it has been found that the downstream velocity of the rotor hasobviously changed in the distance less than 1.25 times of blade diameter, and the output power of the turbine system surrounded by diffuser is about 29% larger than that relating open water. A model test has been carried out, and the efficiency of the proposed CFD numerical simulation has been verified. Key words: tidal current energy; axial-flow turbine; diffuser; wake flow; computational fluid dynamics水 动 力 学 研 究 与 进 展 A 辑2016年第1期92作，导流罩外壁采用直线型。

根据所在单位水动力实验室条件确定出潮流能水轮机适宜尺寸。

导流罩结构及剖面形状如图2所示。

潮流水轮机叶轮作为能量转换装置的核心部件，其效率受水流速度及流体性质等因素影响。

水轮机从海流中获取的能量用能量系数p C 表示，该值是评价水轮机性能最重要的参数，其表达式为：30//(0.5)p C P P M v A ωρ== (1)式中：P 为水轮机转化的功率，0P 为潮流能总可用能量，M 为叶轮力矩，ω为水轮机转轮旋转角速度，ρ为海水密度，v 为潮流速度，A 为过流面积。

考虑到多叶片输出力矩较大，在低流速下启动能力好的特点，叶轮选用5叶片结构，叶片直径为0.6 m 。

2 计算模型2.1 网格划分轴流悬浮式潮流能水轮机几何拓扑结构复杂，采用分块网格划分方式。

未带有叶轮的算例全部采用结构网格形式，流场计算域为导流罩前方取2倍于导流罩长度，后方取3倍于导流罩长度，半径为导流罩外半径5倍的圆柱体区域。

如图3左图所示，导流罩模型为轴对称型，其近壁面区域适当增加网格密度，远离导流罩区域适当放宽尺寸，以减少数值模拟运算量。

带有叶轮的水轮机划分为导流罩的静止区域和叶轮的旋转区域，分别采用结构和非结构网格的方式，结构网格的处理方式与未带有叶轮结构的系统相似，叶轮的旋转区域设置为高0.3 m ，底面半径0.31 m 的圆柱体区域，其近壁面网格采用分层拉伸处理。

2.2 求解控制及边界条件设定本次数值仿真湍流模型采用-κω湍流模 型[12-14]。

仿真过程中入流速度和叶轮转速随算例不同而发生改变，其他边界条件保持不变。

对于计算域的外流场边界条件设置，入口边界选择为速度入口，来流速度以0.5 m/s 为递进步从0.5 m/s 逐渐增大至5.0 m/s ，出口选择为质量流量速率，根据进口流体流速控制出口流体流量。

带有叶轮的水轮机计算域中导流罩区域和叶轮区域的接触面设置一组交界面（Interface ）类型。

外部流体域边界设置为无摩擦滑移壁面；导流罩表面与叶轮表面设置为摩擦壁面；流体介质为水且整个计算域的参考压力设置为0 Pa 。

3 导流罩内流场仿真分析考虑到为增加导流罩内流场稳定性需要在其后设置扩张结构的需求，本文将导流罩尾部扩散段图2 导流罩纵剖面各分段命名及各部分位置陈正寿，等：轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究 93设计成与收缩段关于中心对称的结构，以期提高获能效率。

前期仿真结果表明：维氏曲线、双三次曲线0.3m x =线型导流罩结构所受拖曳力较小[11]，本文将对比这两种线型导流罩内部流场的压强与速度分布，从而确定出导流罩结构的最优线型。

图4为来流速度3.0 m/s 工况下，维氏曲线、双三次曲线0.3m x =线型导流罩结构中纵剖面处的压力分布云状图和湍动能图。

图4（a ）–图4（d ）中分别设置5条速度分布监测位置线，线长延伸到导流罩内侧壁。

Line00表示导流罩结构中心的基准线，Line-046、Line-027分别表示以导流罩结构中心点为基准，在导流罩结构轴线纵剖面处上游0.46 m 和 0.27 m 位置上的监测位置线，Line027、Line046分别表示相同基准下导流罩结构轴线纵剖面处下游水 动 力 学 研 究 与 进 展 A 辑2016年第1期940.27 m 和0.46 m 位置上的监测位置线。

观察图4（a ）、图4（b ）可以发现，导流罩收缩段壁面的约束作用使其内部形成了明显的负压区，流速增效明显，对比发现，双三次曲线0.3m x =线型导流罩的负压区面积较大，表明该线型导流罩内高流速区域面积大；由图4（c ）、图4（d ）可以发现，导流罩壁面附近均出现边界层，双三次曲线m x = 0.3线型导流罩扩散段有尾流涡出现，维氏曲线型导流罩内壁面直线段湍动能较大，对比发现，双三次曲线0.3m x =线型导流罩结构内外壁边界层不明显，对水流的阻碍作用较小。

图5为图4中不同速度分布监测位置线（Line046、Line027、Line00、Line-027和Line-046）所对应的速度分布曲线，图中横坐标表示监测线纵向坐标，纵坐标表示水流流速。

从整个流场的稳定性来看，双三次曲线0.3m x =线型导流罩结构对应的内部流场增速效果明显且分布更加稳定，其水动力性能最优。

4 叶轮尾流场分析为充分比较在有、无导流罩装置的两种工况下，叶轮尾流场速度的分布和导流罩聚能作用，在此列举两个对比实例，如表1所示。

图6为有、无导流罩装置两种工况下叶轮中纵剖面的速度分布云图，图中径向方向分别有6条速度分布监测线，Line00表示叶轮轮毂结构中心的基准线，Line025、Line050、Line075、Line100和Line150表示以叶轮轮毂结构中心点为基准，分别在叶轮下游0.25 m 、0.5 m 、0.75 m 、1 m 和1.5 m 位置处的监测位置线，在径向方向分别延伸到叶尖端。

图6（a ）所示，叶轮下游尾流流场沿轴向方向存在一个哑铃状的低流速区，顺流经过该区域，尾流场的速度不断增加，在叶轮下游1.0 m 处，尾流平均速度已基本接近来流速度。

图6（b ）所示，加装双三次曲线m x = 0.3线型导流罩，叶轮下游尾流中低流速区呈椭圆状，该区域面积较工况1小，在叶轮下游1 m 处，尾流场的速度达到来流速度的70%左右。

图7为图6中5条速度分布监测线（Line025、Line050、Line075、Line100和Line150）所对应的速度分布图，图中横坐标为水流流速，纵坐标为监测线纵向方向坐标。