水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟_陈正寿

2.2 求解控制及边界设定 本论文相关数值仿真全部基于 κ -ω 湍流模型
图 3 水轮机网格拓扑结构 Fig. 3 Mesh topology of the impeller section
完成。κ -ω 湍流模型多用于低雷诺数区域流动以及 可压缩流动，高速湍流流动，高速内流计算等问题 且性能良好[9-11]。进口边界条件定义为速度入口， 对额定工况流速 1.0 m/s 进行数值计算，出口条件 设置为质量流量速率，根据进口流体流速控制出口 流体流量。叶轮的转速由尖速比确定，采用 MRF 定义叶轮模型的旋转速度。外部流体域边界设置为 无摩擦滑移壁面；导流罩表面设置为摩擦壁面。
目前国内外关于水平轴潮流能水轮机叶轮尾 流的研究较少。安佰娜运用 CFD 软件对单机组和 多机组水平轴潮流能水轮机进行了三维稳态数值 模拟，分析了单机组潮流能水轮机尾流场中速度变 化趋势和两种不同布置方式的水轮机间尾流场相 互影响，确定了两种不同布置方式的水轮机尾流流 场特性，并开展了相关物理模型实验进行了验证[3]。 沈云等运用 CFD 方法对单机组模型和 10 倍叶轮 直径间距下的串列分布双机组模型进行三维流场 的数值模拟，分析了单机组叶轮的尾流特性，并与 双机组模型运行下尾流特性进行了对比[4]。韩国 Chul-Hee Jo 等应用 CFD 软件，对一额定功率为 300KW 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[5]。
陈正寿，等：水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟
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0 引言
潮流能是指潮流作水平运动所含的动能，潮流 能具有较强的规律性和可预测性，功率密度大，能 量稳定，是一种优秀的可再生能源[1]。潮流能的主 要利用方式是发电。水平轴潮流能水轮机类似于常 见大型风力机，其水流方向与旋转轴平行，利用水 流推动叶轮旋转桨叶发电，按结构可分为风车式和 导流罩式等。风车式潮流能水轮机的工作原理和结 构都与现代风力机类似，结构简单，获能系数高。 导流罩式水平轴潮流能水轮机是在水平轴水轮机 转子叶轮外面增加一个导流罩。导流罩具有导流、 聚能的作用，可以使通过水轮机的水流能量更加集 中，获能效果更高[2]。
体参数见表 1。
2 数值模拟设定
2.1 模型建立与网格划分 本次数值模拟计算区域分为外部流体域和内
部旋转域两个部分，如图 2 所示，深颜色圆柱体内 部为旋转域，其余为外部流体域，参考相关文献确
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水力发电学报
参数 数值
额定流速
Vrated / (m/s)
1.0
额定功率
Prated / W
40
表 1 水轮机整体参数 Table 1 Parameters of the turbines
水力发电学报 2015 年第 34 卷第 10 期
水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟
陈正寿 1,2，刘 羽 1,3，赵 陈 1，黄聪汉 4
（1. 浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省近海海洋工程技术重 点实验室，浙江 舟山 316022；3. 浙江欧华造船股份有限公司，浙江 舟山 316101；4. 太平洋
导流罩
上平衡翼
wenku.baidu.com
左叶轮 逆时针方向旋转
潮流方向
下平衡翼
右叶轮 顺时针方向旋转
4根钢质锚系缆绳 海底底座万向接头
图 1 本文提出的轴流悬浮式潮流能水轮机结构示意图
Fig. 1 Sketch of the axial-flow turbine developed by the authors
1 水轮机模型的建立
2D
D
叶轮
2D
4D
6D
导流罩
D 1.1D
1.8D
1.1D D
4D
6D
图 2 水轮机流体计算区域
Fig. 2 Computational domain of the turbine flow simulations
如图 3 所示，对于流体域采用结构网格划分； 考虑叶轮表面的形状很不规则，旋转域采用非结构 化网格划分。由于潮流水轮机流场范围较广，且靠 近导流罩和叶轮区域的流场是需要重点计算的区 域，所以对导流罩近壁区域和叶轮中心区域网格加 密，并采用分层拉伸处理，而远离导流罩和叶轮区 域适当放宽尺寸，以减少数值模拟运算量。
Key words: tidal current energy; axial-flow turbine; duct; wake flow; numerical simulation
收稿日期：2014-10-20 基金项目：国家自然科学基金(41476078); 浙江省公益技术应用研究计划项目(2015C34013); 舟山科技计划项目(2014C41003) 作者简介：陈正寿(1979—), 男, 教授. E-mail: aaaczs@163.com
（1. Department of Naval Architecture and Marine Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316022; 2. Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province,
为预测的水轮机能量利用率，Cp =0.3 ；η 为装置的
机电效率，η=0.92 。
叶片翼型采用 NACA63215，该翼型具有较高
的升力系数。轮毂直径取为 1/4 叶轮直径。取叶尖
速比 λ=3 时的转速为设计转速。导流罩为中空薄壁
的圆柱体结构。根据所在单位水动力实验室条件，
本文初定单机组水轮机模型额定功率为 40 W，具
中图分类号：TV136+.1
文献标志码：A
doi: 10.11660/slfdxb.20151016
Numerical simulations and analysis on wake flows of axial-flow tidal current turbines
CHEN Zhengshou1, 2, LIU Yu1, 3, ZHAO Chen1, Ng Chang Han4
流场域流速有显著的变化，位于该区域下游的流速与外围流速几乎相等，流场相对稳定；对于加装导流罩的双转
子水轮机组，其双叶轮后的两个尾流场交互影响作用明显，叶轮上、下游流速差异大，左、右叶轮的能量利用率
较未加装导流罩的单个叶轮水轮机有大幅提高。样机物理模型试验结果进一步验证了数值仿真方法有效性。
关键词：潮流能；轴流式水轮机；导流罩；尾流；数值仿真
叶轮直径
D
0.6
叶片数量
B
5
设计尖速
比λ
3.0
叶片翼型 NACA63215
导流罩长 度 Lf /m
0.92
导流罩直 径 Df /m
0.75
定流体域的尺寸[8]，流体域为高 6 m，半径为 3 m 的圆柱体区域。与物理模型实验相比，数值模拟中 水轮机比例尺为 1∶1。如图 2 所示，对于单水轮 机计算模型，流体域前端距叶轮 4 倍叶轮直径，后 端距叶轮 6 倍叶轮直径，两侧各距叶轮 2 倍叶轮 直径；对于双转子水轮机计算模型，流体域前端距 叶轮 4 倍叶轮直径，后端距叶轮 6 倍叶轮直径，双 转子之间距离 1.8 倍叶轮直径，两侧各距叶轮 1.1 倍叶轮直径。
Zhoushan, Zhejiang 316022; 3. Zhejiang Ouhua Shipbuilding Co, Ltd, Zhoushan, Zhejiang 316101; 4. The Paxocean Engineering Co, Ltd, Zhoushan, Zhejiang 316057）
海洋工程（舟山）有限公司，浙江 舟山 316057）
摘 要：针对近距离平行布置的潮流水轮机机组尾流之间水力性能的干扰问题，采用 CFD 方法对单个水平轴潮
流水轮机叶轮模型和（两轴间距为 1.8 倍叶轮直径的）平行布置双转子水轮机模型在额定流速条件下实施了三维
数值仿真。计算结果显示，无导流罩的单机组，其水轮机尾流场中距离叶轮下游边缘 1D（D 为叶轮直径）以内的
基于各类水平轴潮流能水轮机的启发，本文作 者提出一种轴流悬浮式潮流能发电装置，该装置包 括水轮机，浮体结构和锚泊系统三个部分。如图 1 所示，选用双转子的水平轴水轮机结构；上、下衡 翼和导流罩为中空薄壁结构，提供浮力，使潮流能 发电装置悬浮水中；水轮机通过 4 根钢质锚系缆 绳固于海床上。本文基于数值计算方法（CFD）对 单个水平轴潮流水轮机叶轮模型和（两轴间距为 1.8 倍叶轮直径的）平行布置双转子水轮机模型进 行三维数值仿真，对比分析其尾流场中速度分布、 湍流分布、叶轮表面压力分布以及叶轮能量利用率， 总结水平轴水轮机双转子在固定间距 1.8D 下相互 影响情况，并通过物理模型实验对数值计算结果有 效性进行了验证。
作者提出的水平轴潮流能发电装置以舟山环
境为参考，考虑到实际海洋环境流场变化大，流速
相对较低的特点，本文选取 V=1.0 m/s 为水轮机设
计最低工作环境流速[6]。
定义水轮机能量用能量系数 Cp 和尖速比 λ [7]：
Cp = P / P0 = Mω / (0.5ρV 3 A)
（1）
λ=
Rω V
（2）
式中：P为水轮机转化的功率，W； P0 为潮流能中
可用能量，W；M为叶轮力矩，N·m；ω 为水轮机
叶轮旋转角速度，rad/s；ρ 为海水密度，kg/m3；V
为潮流速度，m/s； A 为过流面积，m2；R为叶轮半
径，m。
定义叶轮直径D为
D=
8Prated CpηπρV 3
（3）
式中： Prated 为水轮机额定功率， Prated =40 W ； Cp
2.3 网格尺度对计算结果的影响 网格的疏密程度与最终计算精度紧密相关，因
此在开展针对实际工况的数值计算前，有必要测试 不同疏密程度的网格系统对水平轴潮流能水轮机 计算结果的影响。边界层网格中通常用 y+ 值表示 第一层节点与壁面之间的无量纲距离，对于不同模 型及不同壁面处理方法，对应 y+ 的要求也不同。参 考文献[12][13]可知，选择合适的 y+ 值对水轮机计 算结果精度有很大的影响。本次数值仿真中水轮机 的叶片与导流罩近壁面第一层网格高度为 0.0004 m，网格层数为 6， y+ 取值范围为 15.8 ~ 39.5，与 文献[14]推荐值吻合。
Abstract: 3D numerical simulations of the wake flows behind axial-flow tidal current turbines have
been carried out using a CFD software to study the interference between the wakes behind different impellers in different conditions of rotor installation, focusing on a single-rotor model without duct and a ducted dual-rotor model with a shaft spacing of 1.8D (where D is the blade diameter) for comparison. Results show that, the wake flow of single-rotor model was relatively stable with a velocity nearly the same as outside the wake, except for the lower velocity in a small wake region of less than 1D from the rotor. In the case of dual-rotor model, we observed a stronger interference between the two rotors, a lower velocity in the wakes, and a lower energy loss in the wakes than the single-rotor case. This leads to a considerable increasement in energy conversion ratio of the rotors. Physical model tests have been conducted and the measurements verified the main conclusions above and the effectiveness of our CFD method.