用于雙向水流發(fā)電的導(dǎo)流罩增速性能研究

　　摘要: 為提高水平軸水輪機(jī)用于雙向水流發(fā)電時總輸出功率, 對一種導(dǎo)流罩的增速性能進(jìn)行了研究. 以流速比作為導(dǎo)流罩的性能指標(biāo), 利用有限元仿真計算不同幾何參數(shù)時導(dǎo)流罩流速比且對其進(jìn)行優(yōu)化, 分析了增速導(dǎo)流罩的安裝對水平軸水輪機(jī)雙向發(fā)電性能的影響, 并通過水下拖拽發(fā)電試驗(yàn)對仿真優(yōu)化后的導(dǎo)流罩性能加以驗(yàn)證. 結(jié)果表明: 增速導(dǎo)流罩長度和角度是影響其性能的關(guān)鍵因素, 在導(dǎo)流罩長度保持不變時, 隨著導(dǎo)流罩角度的增加, 流速比呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢; 當(dāng)水流速度為 1 m·s -1時, 加裝增速導(dǎo)流罩后發(fā)電裝置的雙向發(fā)電功率提高了 37%.

　　本文源自顏瑞雪; 陳韜; 李國富; 劉曉杰， 寧波大學(xué)學(xué)報(理工版) 發(fā)表時間：2021-05-10《寧波大學(xué)學(xué)報(理工版)》(季刊)創(chuàng)刊于1988年，是寧波大學(xué)主辦的綜合性自然科學(xué)和工程技術(shù)學(xué)術(shù)期刊，刊登理、工 、農(nóng)、林、醫(yī)等學(xué)科的學(xué)術(shù)論文和研究成果，設(shè)有研究論文、研究簡報、應(yīng)用與開發(fā)研究和綜合評述等欄目，季刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。

　　關(guān)鍵詞: 水平軸水輪機(jī); 導(dǎo)流罩; 雙向水流; 發(fā)電效率

　　近年來, 潮流能由于其可預(yù)測性強(qiáng)和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)成為廣受關(guān)注的可再生能源之一[1-2] . 水平軸潮流能水輪機(jī)作為目前最常用的一種潮流能發(fā)電裝置, 具有能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 但受其自身結(jié)構(gòu)和葉片翼型等因素的影響, 水平軸水輪機(jī)無法有效利用雙向水流流動, 往往需要額外的輔助設(shè)備, 存在運(yùn)行穩(wěn)定性偏低、安裝與維護(hù)困難、成本較高等問題[3] . 因此, 改善水輪機(jī)反向發(fā)電性能, 提高對雙向水流流動能量的有效利用率, 增加水輪機(jī)總輸出功率, 對促進(jìn)和加快海洋能的開發(fā)利用具有重要意義.

　　王樹杰等[4]為了提高水平軸水輪機(jī)的總發(fā)電功率, 對一種水平軸水輪機(jī)的導(dǎo)流罩進(jìn)行了優(yōu)化, 研究了導(dǎo)流罩線型中收縮角度、收縮長度等參數(shù)與其性能之間的關(guān)系. 周旭[5]對美國國家航空咨詢委員會(National Advisory Committee for Aeronautics, NACA)開發(fā)的 2 種翼型進(jìn)行了改造, 將其用作水輪機(jī)葉片截面形狀, 設(shè)計了一種懸浮式雙向潮流能水輪機(jī), 以有效利用雙向水流的能量, 但由于采用懸浮式結(jié)構(gòu), 水輪機(jī)在水下容易晃動, 難以保持平衡, 因此運(yùn)行穩(wěn)定性較差. Luquet 等[6]研究了一種自適應(yīng)導(dǎo)流裝置, 該裝置利用導(dǎo)流裝置末端安裝的尾翼控制裝置整機(jī)的朝向, 理論上可以使水輪機(jī)始終正對水流方向, 避免了使用非固定式葉片或較復(fù)雜的輔助裝置, 但由于自然環(huán)境中水流流動方向往往具有隨機(jī)性, 可能會導(dǎo)致導(dǎo)流裝置頻繁調(diào)整, 難以保持穩(wěn)定的姿態(tài), 從而降低了發(fā)電裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性. 張興等[7]等設(shè)計了一種擺動葉片式波浪能發(fā)電裝置, 該裝置能將波浪的上下雙向運(yùn)動轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)軸單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動, 提高對波浪能的利用效率, 但存在響應(yīng)不及時、能量轉(zhuǎn)換效率較低等問題. Khamlaj 等[8]利用有限元仿真軟件, 通過改變不同導(dǎo)流裝置的形狀、曲率半徑等參數(shù), 考察導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)對發(fā)電性能的影響, 但未考慮水流雙向流動時導(dǎo)流裝置的性能變化. 鄧智雯等[9]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)設(shè)計相結(jié)合的方法, 選取導(dǎo)流罩?jǐn)U口段長度、中間段長度和開口張角為主要因素優(yōu)化裝置性能, 但受到導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)影響, 其反向性能相對較低. Matsushima 等[10]分析了一種帶后緣的擴(kuò)張型導(dǎo)流罩幾何參數(shù)對增速效果的影響, 研究了擴(kuò)張角度與后緣長度的變化對裝置內(nèi)部流速的影響, 結(jié)果表明導(dǎo)流裝置擴(kuò)張出口的幾何參數(shù)對其性能具有重要影響. 綜上, 目前多數(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注如何提高水輪機(jī)的單向發(fā)電性能, 忽視了潮流雙向流動對其性能的影響, 而現(xiàn)有的雙向發(fā)電技術(shù)也存在維護(hù)困難、能量利用效率較低等問題.

　　本文基于文獻(xiàn)[11]中提出的復(fù)合式發(fā)電裝置, 研究了一種用于雙向?qū)Я餮b置的導(dǎo)流罩及其性能, 分析了出入口所安裝的增速導(dǎo)流罩收縮和擴(kuò)張幾何參數(shù)對提高水流速度及增加水輪機(jī)輸出功率的作用, 以期提升水平軸潮流能水輪機(jī)的發(fā)電效率.

　　1 仿真模型的建立

　　1.1 工作原理

　　導(dǎo)流裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示, 主要由出入口處的增速導(dǎo)流罩、導(dǎo)流管道、單向閥門組成. 通過限位塊限制閥門的轉(zhuǎn)動方向, 使其僅能朝單一方向開啟和關(guān)閉. 水輪機(jī)安裝在裝置中心 E 處, 導(dǎo)流管道截面形狀為正方形. 當(dāng)水流從左至右流動時, 外部水流從入口 A 流入, 推動入口 B 與出口 C 處的閥門關(guān)閉, 隨后水流流經(jīng)水輪機(jī)所在位置 E, 推動出口 D 處閥門開啟后流出. 當(dāng)水流從右至左流動時, 閥門的運(yùn)動情況與上述相反. 借助單向閥門對水流流向的控制, 該裝置可將外部雙向流動的水流轉(zhuǎn)換為內(nèi)部單向流動的水流, 提高了水輪機(jī)對雙向水流能量的利用效率.

　　1.2 仿真參數(shù)設(shè)定

　　本文主要研究雙向?qū)Я餮b置出入口位置所安裝的增速導(dǎo)流罩, 分析其收縮角度和長度、擴(kuò)張角度和長度等幾何參數(shù)對其阻力損耗、流速比及水輪機(jī)發(fā)電功率的影響, 不涉及中部“工”字形導(dǎo)流管道的轉(zhuǎn)角半徑 R、管道寬度 d 等幾何參數(shù)對內(nèi)部阻力損耗以及水輪機(jī)發(fā)電功率的影響. 因此, 選取導(dǎo)流管道寬度 d=0.5 m, 中心高度 H=0.2d, 轉(zhuǎn)角半徑 R=1.5d, 過渡段長度 L=0.2d.

　　利用有限元仿真軟件 Fluent 對水流流動進(jìn)行模擬, 選擇Realizable k-ε湍流模型作為仿真計算模型, 該模型對有曲率流動、分離流動以及二次流等復(fù)雜流動有較好的計算精度[12] . 由于海水通常視為具有不可壓縮性, 因此選用基于壓力的 Simple 算法, 該算法廣泛應(yīng)用于不可壓縮流的穩(wěn)態(tài)分析, 具有計算精度高、求解速度快等優(yōu)點(diǎn). 采用高精度的二階迎風(fēng)格式作為離散控制方程進(jìn)行計算, 可有效地提高求解精度, 避免解的發(fā)散.

　　模型邊界條件的設(shè)定如圖 2 所示, 采用多重參考系方法對水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行模擬, 并將仿真水域劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域兩部分. 根據(jù)真實(shí)海洋環(huán)境中水流自由流動的特點(diǎn), 在仿真水域邊界條件的設(shè)定中, 將邊界入口設(shè)定為速度入口, 模擬水流的自由流動. 出口為壓力出口, 可保障水流充分流動, 其余邊界設(shè)定為不可滑移壁面. 為防止水流回流導(dǎo)致求解發(fā)散, 影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性, 設(shè)置出口長度為 Lout=30d, 入口長度 Lin=15d, 圓柱形仿真水域直徑D=20d, 避免阻塞效應(yīng)對計算結(jié)果造成影響.

　　1.3 導(dǎo)流罩性能評價模型

　　水輪機(jī)從水流中獲得的功率為[13] : 3 p P A C ? 0.5 , ? ? (1) 式中: P 為發(fā)電功率, W; ρ 為水流密度, kg?m-3 ; A 為葉片掃掠面積, m 2 ; v 為水輪機(jī)前方來流速度, m?s -1 ;Cp為水輪機(jī)葉片的功率系數(shù).

　　從式(1)可看出, 水輪機(jī)輸出功率受水流速度影響極大, 因此在對增速導(dǎo)流罩進(jìn)行優(yōu)化過程中, 采用計算流速比(導(dǎo)流管道內(nèi)葉片旋轉(zhuǎn)平面處的平均流速與外部流速的比值)作為評估導(dǎo)流罩性能的指標(biāo). 流速比的計算公式為: 1 , v i v?? (2) 式中: i 為流速比; ? ? 為外部水流平均速度, m?s -1 ; ?1為導(dǎo)流管道中心截面水流平均速度, m?s -1 .

　　2 數(shù)值分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

　　2.1 入口導(dǎo)流罩分析

　　入口處導(dǎo)流罩通過縮小管道截面面積來提高裝置內(nèi)部水流速度, 增加水輪機(jī)輸出功率. 收縮長度 L1和收縮角度 α 是影響導(dǎo)流罩性能的主要參數(shù). 利用仿真軟件對不同導(dǎo)流罩幾何參數(shù)的內(nèi)部流場進(jìn)行分析, 優(yōu)化導(dǎo)流罩尺寸, 以提高其性能. 不同幾何參數(shù)時裝置截面的速度云圖如圖 3 所示

　　對比圖 3(a)和圖 3(b)可看到, 在收縮長度相同時, 增加收縮角度后導(dǎo)流管道入口處的水流速度相對有所下降, 但內(nèi)部水流高速區(qū)域范圍相對增大. 對比圖 3(a)和圖 3(c)可看到, 在收縮角度不變時, 增加收縮長度使得導(dǎo)流管道內(nèi)部高速區(qū)域范圍擴(kuò)大, 有利于流速比的提高. 對比圖 3(b)和圖 3(d)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)收縮角度較大時, 增加收縮長度使得入口處的水流速度降低, 導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度也有所下降. 上述結(jié)果表明, 收縮角度過大可能會導(dǎo)致水流收縮過于劇烈而引起能量損失, 因此收縮角度不宜過大.

　　圖 4 是流速比隨收縮角度增加的變化曲線. 從圖 4 可發(fā)現(xiàn), 不同收縮長度下, 隨著導(dǎo)流罩收縮角度的增加, 流速比呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢, 當(dāng)入口導(dǎo)流罩選擇收縮角度為10°, 收縮長度為0.6d時, 其流速比為 0.957, 能夠獲得較高的性能.

　　2.2 出口導(dǎo)流罩分析

　　擴(kuò)張型導(dǎo)流罩可以增加進(jìn)出口之間的壓力差, 形成一股吸力, 提高內(nèi)部水流速度, 擴(kuò)張角度 β 和擴(kuò)張長度 L2 是影響其性能的關(guān)鍵因素, 不同擴(kuò)張長度時裝置的截面速度如圖5所示. 從圖5可看出, 隨著出口擴(kuò)張長度的增加, 導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度明顯增加, 內(nèi)部高流速區(qū)域范圍顯著擴(kuò)大.

　　圖 6 是流速比隨擴(kuò)張角度增加的變化曲線. 從圖 6 可看到, 在相同擴(kuò)張角度下, 適當(dāng)增加擴(kuò)張長度能使得流速比提高. 數(shù)據(jù)表明, 選擇 L2=1.4d, β= 12°作為出口導(dǎo)流罩設(shè)計尺寸能獲得較好的性能, 此時流速比可達(dá)到1.13, 顯著提高了導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度.

　　2.3 導(dǎo)流罩對發(fā)電性能的影響

　　前文通過改變導(dǎo)流罩的幾何參數(shù)得到了優(yōu)化后的收縮長度、角度以及擴(kuò)張長度、角度的取值. 考慮到安裝導(dǎo)流罩與水輪機(jī)之間存在相互影響, 其實(shí)際效果難以僅通過流速比進(jìn)行直接計算, 因此選擇 α=10°、L1=0.6d、L2=1.4d、β=12°作為出入口導(dǎo)流罩設(shè)計尺寸, 與水輪機(jī)相結(jié)合驗(yàn)證其用于發(fā)電時的效果.

　　葉尖速比是影響水輪機(jī)發(fā)電性能的重要因素之一, 其計算公式為: tip 0 0 ? ? ? ? ? ? ? / / , r (3) 式中: ? 為葉尖速比; ? tip 為葉片尖端線速度, m?s -1 ; ? 為葉片轉(zhuǎn)速, rad?s-1 ; r 為葉片半徑, m.

　　根據(jù)式(3), 通過仿真軟件設(shè)定水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)速可獲得不同的葉尖速比, 從而得到水輪機(jī)的功率系數(shù)曲線, 對安裝導(dǎo)流罩前后的水輪機(jī)發(fā)電性能進(jìn)行對比分析. 為便于對比加裝導(dǎo)流罩前后水輪機(jī)輸出性能的變化, 將裸葉片水輪機(jī)的最大功率系數(shù)設(shè)置為 1, 通過相對功率系數(shù)衡量加裝導(dǎo)流罩前后不同葉尖速比下的水輪機(jī)功率系數(shù)變化. 相對功率系數(shù)的計算公式為: pr pλ pmax C C C ? / , (4) 式中: Cpr 為相對功率系數(shù); Cpλ 為不同葉尖速比下水輪機(jī)功率系數(shù); Cpmax 為裸葉片水輪機(jī)的最大功率系數(shù).

　　結(jié)合式(2)~(4), 通過有限元仿真軟件 Fluent, 計算不同葉尖速比下水輪機(jī)單向發(fā)電的相對功率系數(shù), 結(jié)果如圖 7 所示.

　　從圖 7 可看到, 由于導(dǎo)流管道內(nèi)部存在轉(zhuǎn)角, 水流在導(dǎo)流管道內(nèi)部流動時受到轉(zhuǎn)角阻力的影響而導(dǎo)致能量損耗, 因此水輪機(jī)相對功率系數(shù)有所下降, 通過增速導(dǎo)流罩的匯流聚能作用, 顯著提高了導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度. 根據(jù)仿真數(shù)據(jù), 在安裝增速導(dǎo)流罩前水輪機(jī) pr C ? 0.769, 安裝增速導(dǎo)流罩后 pr C ?1.079, 表明增速導(dǎo)流罩對提升相對功率系數(shù)效果明顯.

　　功率系數(shù)是水輪機(jī)對水流能量的有效利用效率. 根據(jù)式(1)可知, 功率系數(shù)的提升會使水輪機(jī)的輸出功率增加. 因此, 在水流雙向流動速度大小完全一致的理想情況下, 一般裸葉片水輪機(jī)在反向來流時發(fā)電效率極低, 可認(rèn)為裸葉片水輪機(jī)的雙向發(fā)電功率與其正向發(fā)電功率相等為 1. 使用導(dǎo)流罩后水輪機(jī)雙向總發(fā)電功率的計算公式為: 0 pr P PC ? 2 , (5) 式中: P0為裸葉片水輪機(jī)的總發(fā)電功率.

　　仿真結(jié)果表明, 無增速導(dǎo)流罩時總發(fā)電功率為1.54 W, 增加增速導(dǎo)流罩后總發(fā)電功率為2.16 W, 總發(fā)電量提高了 40%.

　　2.4 試驗(yàn)研究

　　為驗(yàn)證優(yōu)化后增速導(dǎo)流罩的實(shí)際效果, 設(shè)計水下拖拽試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)電性能測試. 試驗(yàn)時, 發(fā)電裝置與導(dǎo)流裝置吊裝在一輛可在水箱上方雙向滑行的滑車下方, 滑車一端通過牽引繩與電動機(jī)上的卷線桶相連接, 啟動電動機(jī)可以收卷牽引繩, 拖拽發(fā)電裝置在水下移動, 通過調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)不同的拖拽速度, 從而實(shí)現(xiàn)對不同水流速度的模擬. 發(fā)電裝置與電阻串聯(lián), 通過測量負(fù)載電阻上的電壓計算發(fā)電裝置的輸出功率, 并以此分析發(fā)電裝置的發(fā)電性能. 為了對比安裝增速導(dǎo)流罩前后, 負(fù)載電功率的增長情況, 量化發(fā)電裝置輸出功率的增長幅度, 根據(jù)不同流速下的負(fù)載電功率數(shù)據(jù), 計算相對功率增長系數(shù), 其計算公式為: d t r t , P P P P ?? (6) 式中: Pd為有導(dǎo)流裝置時的總負(fù)載電功率, W; Pt為裸葉片的總負(fù)載電功率, W.

　　試驗(yàn)時, 拖動滑車在水下來回正向和反向移動以模擬水流的雙向流動, 并通過多次反復(fù)移動, 獲得發(fā)電裝置外接電阻上的電壓信號, 最后根據(jù)式(6)對加裝增速導(dǎo)流罩前后的發(fā)電裝置功率變化進(jìn)行計算, 結(jié)果如圖 8 所示.

　　通過控制滑車的移動速度, 拖動發(fā)電裝置以1 m·s -1 的平均速度在水下運(yùn)動. 根據(jù)相對運(yùn)動原理, 可認(rèn)為此時的水流雙向流動的平均速度同為 1 m·s -1 . 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明, 在相同試驗(yàn)條件下, 加裝增速導(dǎo)流罩能使發(fā)電裝置發(fā)電功率相對提高約 37%, 此結(jié)果雖因受裝置制造精度等因素影響低于仿真值, 但比較接近, 說明加裝增速導(dǎo)流罩對發(fā)電裝置性能的提高有效.

　　3 結(jié)論

　　(1)對增速導(dǎo)流罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計發(fā)現(xiàn), 在入口的收縮導(dǎo)流罩幾何參數(shù)中, 收縮角度對其性能影響最為顯著, 隨著收縮角度增加, 流速比呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢; 對于出口處的擴(kuò)張導(dǎo)流罩, 擴(kuò)張長度對其性能影響較大, 在擴(kuò)張角度保持不變時, 增加擴(kuò)張長度有利于提高流速比, 當(dāng)擴(kuò)張長度保持不變, 流速比隨擴(kuò)張角度的增加, 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢.

　　(2)在導(dǎo)流管道的出入口處安裝增速導(dǎo)流罩, 其收縮角度為 10°、收縮長度為 0.4d、擴(kuò)張角度為 12°、擴(kuò)張長度為 1.4d 時, 流速比可達(dá) 1.13. 增速導(dǎo)流罩的使用可明顯增加導(dǎo)流管道內(nèi)部的水流速度, 提高其性能.

　　(3)對加裝增速導(dǎo)流罩前后的發(fā)電裝置進(jìn)行水下發(fā)電試驗(yàn)表明, 當(dāng)水流雙向流動速度為 1 m·s -1 , 在導(dǎo)流管道的外部安裝增速導(dǎo)流罩可顯著提高發(fā)電裝置雙向發(fā)電時總輸出功率, 與安裝前相比提高約 37%.