浮潛式載體對潮流能水輪機性能的影響研究

王樹杰，于曉麗，李仁軍，袁　鵬，張以俊

（1.中國海洋大學工程學院，山東　青島　266003；2.青島市海洋可再生能源重點實驗室，山東　青島　266000）

浮潛式載體對潮流能水輪機性能的影響研究

王樹杰1,2，于曉麗1，李仁軍1，袁鵬1,2，張以俊1

（1.中國海洋大學工程學院，山東青島266003；2.青島市海洋可再生能源重點實驗室，山東青島266000）

浮潛式載體是一種創新性的潮流能水輪機載體形式，在設計時，需在保證其上浮下沉及拖航穩定性的同時，盡量減小載體結構形式對其所搭載水輪機的影響。采用計算流體力學方法對兩種浮潛式載體結構形式下水輪機運行狀態及流場流速分布進行研究，計算結果表明：浮潛式載體中有無坡度對于水輪機的功率系數與軸向力系數影響很大，功率系數在提高的同時，軸向力系數也相應的增加，因此在保證水輪機獲能的同時，需要對結構進行穩定性校核；水輪機在額定流速條件下，浮潛式載體的存在對于水輪機上游流速有一定的加強作用，有坡度浮潛式載體因其導流聚流作用將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機獲能和效率的提高。

水平軸潮流能水輪機；浮潛式載體；數值模擬；性能分析；流場分布

水平軸潮流能水輪機作為目前應用最廣的潮流能轉換機構形式[1]，其性能與載荷不僅受到外部復雜海洋環境的影響，而且會受到自身載體結構、支撐結構等的影響。國內外學者對于載體結構與支撐結構的影響進行一系列研究?？ǖ戏虼髮W的A Mason-Jones，D M O’Doherty等[2]對比研究5種不同的支撐結構對于水平軸潮流能水輪機的影響；中海油研究總院的李志川，張理等[3-4]研究了漂浮式載體運動及不同支柱形式對于水輪機載荷與效率的影響；陳存福[5]采用試驗研究方法對比分析有無導流罩對于水平軸水輪機的影響，指出導流罩的加入能夠提高水輪機效率。20 kW潮流能發電裝置綜合座海底式和漂浮式載體的優缺點，首次提出浮潛式載體的概念，浮潛式載體的結構形狀對于水輪機及流場產生一定的影響，然而關于這方面的研究尚未見到相關的文獻，針對上述問題，本文擬采用CFD的方法對20 kW潮流能發電裝置中浮潛式載體對水平軸潮流能水輪機性能影響進行對比分析，為該裝置的優化設計提供參考和依據。

1　20 kW潮流能發電裝置

20 kW潮流能發電裝置由中國海洋大學設計，采用的是水平軸可變槳距水輪機，由水輪機、浮潛式載體及支撐結構3部分組成，如圖1所示。

圖1　20kW實尺潮流能裝置

20 kW潮流能發電裝置獨創性地采用浮潛式浮箱作為載體，通過對浮箱艙室內部艙室進行合理分布同時實現各個艙室的注水與抽水，使浮潛式載體具備3種不同工作狀態，保證拖航與水下工作時穩定性。浮潛式載體工作狀態示意圖如圖2所示。

圖2　浮潛式載體工作狀態

水輪機為整個獲能裝置的獲能部件，通過葉素動量理論完成葉片的設計優化，并在三維繪圖軟件Solidworks完成水輪機葉輪建模，三維圖如圖3所示，水輪機及載體尺寸等參數如表1所示。

圖3　水輪機葉輪

表1　水輪機及載體各項參數

2　數值模擬

2.1幾何模型建立及網格劃分

為研究浮潛式載體結構形狀對于水輪機性能的影響，需對前后有坡度浮潛式載體和前后無坡度浮潛式載體兩種載體結構形式對水輪機性能的影響進行對比分析，在三維繪圖軟件SolidWorks中完成浮潛式載體與葉輪的建模，導入到前處理軟件Gambit中，完成旋轉域與流體域的建模，為簡化運算將浮潛式載體進行簡化，忽略兩邊立柱及后方橫梁的影響，如圖4所示。

圖4　旋轉域與流體域建模

旋轉域要求能夠包裹水輪機，設定旋轉域直徑為5.5 m，厚度為1 m；齋堂島海域平均水深為12 m，將流體域的尺寸設置為35 m×12 m×8 m。兩種載體形式除載體結構形狀不同，其他條件設置保持一致。

網格劃分不僅要考慮計算機的計算能力，還要考慮網格的優劣，因為網格劃分的質量直接決定了計算結果的準確度。作為CFD前處理軟件GAMBIT，提供了結構網格和非結構網格兩種網格類型。鑒于葉片較為復雜的外形以及非結構網格的適應性[5]，采用非結構網格。對網格進行分區劃分，水輪機葉片表面采用三角形網格劃分；流體域采用四面體非結構網格進行劃分，網格尺寸為400 mm，網格數約為40萬；對旋轉域進行加密處理，以便能獲得重要的流場信息，網格尺寸為100 mm，網格數為17萬。

2.2湍流模型選擇及邊界條件設定

假設流體是粘性不可壓的，流場的連續方程和動量方程為：

連續方程：

動量方程：

式中：ui，uj為速度分量，m/s；xi，xj為位置坐標分量；P為流體壓力，Pa；μ為流體動力粘性系數。

采用RNG k-ε湍流模型，在形式上類似于standard k-ε，但計算功能上強于standard k-ε。模型中考慮到旋轉效應，對于強旋轉流動計算精度得到提高，并且該模型改善了標準形式下模擬壁面流動失真的情況，使用較廣泛。RNG k-ε模型的數學表達式[6]為：

式中：μeff=μ+μt，Cμ=0.084 5，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，η0=4.377，β=0.012。

設定邊界條件，流體為不可壓的流體，已知來流速度分量，進口邊界設置為速度入口（velocity inlet），流場無限大、參數未知時將出口設為自由出口（outflow），默認值為0。水輪機葉片及浮潛式載體表面設置為無滑移的固壁條件（wall）；旋轉域和流體域的類型都為流體（fluid），邊界條件設定如圖5所示。

圖5　邊界條件

3　結果分析

在對仿真結果分析時，最能表征水輪機水動力學性能的參數是功率系數、軸向力系數。其中功率系數直接關系水輪機的發電量，軸向力系數則用來對支撐結構進行校核，保證安全性和穩定性。功率系數和軸向力系數的表達式[7]為：

式中：P電為功率；F為軸向力；n為轉速；V為額定流速。

3.1性能參數對比

在ANSYS workbench-fluent中完成兩種工況下水輪機的數值模擬，得到不同尖速比下的軸向力系數與功率系數，如圖6所示。

圖6　性能參數

由圖可見，兩種載體結構形式下功率系數與軸向力系數相差較大，浮潛式載體的結構形狀對于水輪機獲能與受力均具有一定的影響。就軸向力而言，兩種形式下軸向力系數隨尖速比增大而增大，有坡度浮潛式載體的軸向力系數要高于無坡度浮潛式載體的軸向力系數，產生較大載荷；就功率系數而言，兩種形式下功率系數是先增大后減小的趨勢，存在最優尖速比，有坡度時，在尖速比為6時達到最大功率系數，無坡度時，λ=5為最佳尖速比，有坡度時的功率系數整體要高于無坡度時的功率系數，最高能達到0.47左右。主要因素為有坡度浮潛式載體對水輪機前方來流是逐漸加強作用，而對于無坡度浮潛式載體，來流在海底1.5 m高度上受到無坡度浮潛式載體的影響，產生湍流與渦流的復雜流動，削弱來流強度。

3.2對上游來流與尾流的影響

為了綜合考察浮潛式載體與水輪機工作時對于上游來流與尾流流場影響，選擇在水輪機前后不同位置分析流速變化。選定水輪機工作尖速比λ為6時，分別對水輪機前后不同位置處垂向速度分布與水平方向流速進行分析。

在流體域中選取過葉輪中心的水平直線，通過CFD-POST后處理監測流場水平速度隨位置變化情況，如圖7所示，浮潛式載體的存在對于水輪機（Y=0）上游流速有加強作用，無坡度浮潛式載體將流速提高0.2 m/s左右，而有坡度浮潛式載體將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機獲能，但同時對水輪機產生了較大的軸向載荷，相應的尾流也有一定的差別，整體而言，有坡度浮潛式載體情況下水平方向流場流速高于無坡度浮潛式載體時流速。

圖7　水平速度分布曲線

在圖5所示的YOZ平面內，選定水輪機前后Y為±2 m，±3 m，±4 m，±8 m 8個不同位置，對水輪機前后不同位置的流速垂向分布受浮潛式載體的影響規律進行分析，得到不同位置流速沿垂向分布規律曲線如圖8所示。由圖8（a）可見，在水輪機前后±8 m處，浮潛式載體對于其上游來流并沒有太大的影響，基本保持在1.75 m/s左右；由圖8（b）～8（d）可知，受水輪機與來流雙向耦合的影響，水輪機前方來流并不是定值1.75 m/s，而出現一定的偏差，并且越靠近水輪機變化越明顯。各位置的垂向速度分布由于受浮潛式載體的影響而發生變化，有無坡度的浮潛式載體使上游流速都有所提高，有坡度浮潛式載體使上游流速平均提高0.4 m/s左右，無坡度浮潛式載體使上游流速平均提高0.2 m/s左右，相比無坡度浮潛式載體，有坡度浮潛式載體由于導流增速明顯更有利于水輪機獲能。對于尾流分布，兩種載體結構形式下流速也存在一定的差別，整體上有坡度浮潛式載體的尾流速度要高于無坡度浮潛式載體的尾流速度。

綜合分析可見，浮潛式載體的存在對水輪機附近的流場造成了一定的影響，有坡度浮潛式載體由于具有一定的導流聚流作用使流經水輪機的水流流速提高，同時避免了無坡度浮潛式載體造成的局部湍流和渦流現象，有利于水輪機的獲能和效率的提高。

圖8　水輪機前后不同位置垂向速度分布

4　應用

依據分析結果，設計制造了帶有前后坡度的浮潛式載體箱體，并于2015年6月對20 kW浮潛式潮流能發電裝置按照圖2所示的拖運下潛流程順利安裝就位，如圖9所示，目前已在青島齋堂島水道正常運行1 a多時間。

圖9　20kW潮流能發電裝置

在運行過程中，經監測，機組效率大于35%，這除了變槳距系統實現的最大功率點追蹤控制外，帶有前后坡度的浮潛式載體的導流增速作用也發揮了一定的作用。

5　結語

為研究浮潛式載體對于水平軸水輪機及其流場的影響，對兩種載體結構形式下的水輪機運行狀態進行數值模擬，對比得到以下結論：

（1）浮潛式載體結構形狀對于水輪機的影響不能忽略。前后坡度的存在使功率系數有所提高，最高能達到0.47左右，但軸向力也相應的提高，因此，在浮潛式載體設計優化過程中，在保證獲能效率的同時進行結構校核，保證安全與穩定。

（2）浮潛式載體的存在對于水輪機上游流速有一定的加強作用，無坡度浮潛式載體將流速提高0.2 m/s左右，而有坡度浮潛式載體因其導流聚流作用將流速提高0.4 m/s左右，更有利于水輪機獲能和效率的提高。

本文通過對比兩種載體結構形式下水輪機運行狀態，研究浮潛式載體結構形狀對于水輪機性能的影響。但設計優化過程中，潮流能裝置中的立柱及橫梁等都是水輪機性能的影響因素，在本文中并未進行全面考慮，擬在以后的研究工作中，進一步綜合考慮潮流能裝置中立柱、橫梁等對于水輪機獲能與受力的影響，更全面地分析載體及支撐結構對水輪機性能的影響。

[1]張亮,李新仲,耿敬，等.潮流能研究現狀[J].新能源進展,2013,1(1):53-68.

[2]A Mason-Jones,D M O’Doherty,et al.Influence of a velocity profile &support structure on tidal stream turbine performance[J]. Renewable Energy,2013,52:23-30.

[3]李志川,張理,肖鋼,等.200 kW潮流能發電裝置漂浮式載體運動對水輪機性能影響分析 [J].海洋技術學報,2014,33(4): 52-55.

[4]李志川,張理,荊豐梅.支柱對潮流能水輪機效率和載荷影響研究[J].中國造船,2014,55:186-191.

[5]陳存福.潮流能水平軸水輪機葉片優化及水動力性能研究[D].青島:中國海洋大學,2012.

[6]Anup KC,Young Ho Lee.CFD study on prediction of vortex shedding in draft tube ofFrancis turbine and vortex control techniques[J]. Renewable Energy,2016,86:1406-1421.

[7]R M Stringer,A J Hillis,J Zang.Numerical investigation of laboratory tested cross-flow tidal turbines and Reynolds number scaling[J]. Renewable Energy,2016,85:1316-1327.

Research on the Effect of Buoyancy Carrier on the Performance of Tidal Current Energy Turbine

WANG Shu-jie1,2,YU Xiao-li1,LI Ren-jun1,YUAN Peng1,2,ZHANG Yi-jun1
1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,China; 2.Qingdao Municipal Key Laboratory of Ocean Renewable Energy,Qingdao 266000,Shandong Province,China

Buoyancy carrier is an innovative carrier form of tidal current energy turbine.During the design of the turbine,the stability of floating,sinking and towing should be ensured,while minimizing the influence of carrier form on its carried tidal turbine.The method of computational fluid dynamics is adopted to study the operational performance of the turbine and the distribution of fluid velocity under two different carrier forms.The results show that the gradient of buoyancy carrier has an important effect on the power coefficient and the axial force coefficient of the turbine.With increasing power coefficient,the axial force coefficient also increases accordingly. Therefore,while ensuring the turbine efficiency,it needs check the stability of the structure.Under the condition of rated flow velocity,the existence of buoyancy carrier reinforces the upstream flow velocity.The carrier with gradient will improve the flow velocity by 0.4 m/s owing to the function of stream guidance and focused fluid, which benefits energy capture and improves energy efficiency.

horizontal axis tidal current energy turbine;buoyancy carrier;numerical simulation;performance analysis;distribution of flow field

P743；TK73

A

1003-2029（2016）05-0005-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.002

2016-02-25

國家自然科學基金資助項目（51479185）；海洋可再生能源專項資金資助項目（GHME2010ZC04）

王樹杰（1961-），男，博士，教授，主要從事海洋能利用技術研究工作。E-mail：wangshujie@ouc.edu.cn