用于雙向水流發電的導流罩增速性能研究

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

　　本文源自顏瑞雪; 陳韜; 李國富; 劉曉杰， 寧波大學學報(理工版) 發表時間：2021-05-10《寧波大學學報(理工版)》(季刊)創刊于1988年，是寧波大學主辦的綜合性自然科學和工程技術學術期刊，刊登理、工 、農、林、醫等學科的學術論文和研究成果，設有研究論文、研究簡報、應用與開發研究和綜合評述等欄目，季刊，國內外公開發行。

　　關鍵詞: 水平軸水輪機; 導流罩; 雙向水流; 發電效率

　　近年來, 潮流能由于其可預測性強和能量密度高等優點成為廣受關注的可再生能源之一[1-2] . 水平軸潮流能水輪機作為目前最常用的一種潮流能發電裝置, 具有能量轉換效率高、運行穩定等優點, 但受其自身結構和葉片翼型等因素的影響, 水平軸水輪機無法有效利用雙向水流流動, 往往需要額外的輔助設備, 存在運行穩定性偏低、安裝與維護困難、成本較高等問題[3] . 因此, 改善水輪機反向發電性能, 提高對雙向水流流動能量的有效利用率, 增加水輪機總輸出功率, 對促進和加快海洋能的開發利用具有重要意義.

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

　　本文基于文獻[11]中提出的復合式發電裝置, 研究了一種用于雙向導流裝置的導流罩及其性能, 分析了出入口所安裝的增速導流罩收縮和擴張幾何參數對提高水流速度及增加水輪機輸出功率的作用, 以期提升水平軸潮流能水輪機的發電效率.

　　1 仿真模型的建立

　　1.1 工作原理

　　導流裝置的基本結構如圖 1 所示, 主要由出入口處的增速導流罩、導流管道、單向閥門組成. 通過限位塊限制閥門的轉動方向, 使其僅能朝單一方向開啟和關閉. 水輪機安裝在裝置中心 E 處, 導流管道截面形狀為正方形. 當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 處的閥門關閉, 隨后水流流經水輪機所在位置 E, 推動出口 D 處閥門開啟后流出. 當水流從右至左流動時, 閥門的運動情況與上述相反. 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換為內部單向流動的水流, 提高了水輪機對雙向水流能量的利用效率.

　　1.2 仿真參數設定

　　本文主要研究雙向導流裝置出入口位置所安裝的增速導流罩, 分析其收縮角度和長度、擴張角度和長度等幾何參數對其阻力損耗、流速比及水輪機發電功率的影響, 不涉及中部“工”字形導流管道的轉角半徑 R、管道寬度 d 等幾何參數對內部阻力損耗以及水輪機發電功率的影響. 因此, 選取導流管道寬度 d=0.5 m, 中心高度 H=0.2d, 轉角半徑 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, 該算法廣泛應用于不可壓縮流的穩態分析, 具有計算精度高、求解速度快等優點. 采用高精度的二階迎風格式作為離散控制方程進行計算, 可有效地提高求解精度, 避免解的發散.

　　模型邊界條件的設定如圖 2 所示, 采用多重參考系方法對水輪機旋轉運動進行模擬, 并將仿真水域劃分為靜止域和旋轉域兩部分. 根據真實海洋環境中水流自由流動的特點, 在仿真水域邊界條件的設定中, 將邊界入口設定為速度入口, 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, 其余邊界設定為不可滑移壁面. 為防止水流回流導致求解發散, 影響計算結果的準確性, 設置出口長度為 Lout=30d, 入口長度 Lin=15d, 圓柱形仿真水域直徑D=20d, 避免阻塞效應對計算結果造成影響.

　　1.3 導流罩性能評價模型

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

　　從式(1)可看出, 水輪機輸出功率受水流速度影響極大, 因此在對增速導流罩進行優化過程中, 采用計算流速比(導流管道內葉片旋轉平面處的平均流速與外部流速的比值)作為評估導流罩性能的指標. 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為導流管道中心截面水流平均速度, m?s -1 .

　　2 數值分析與試驗驗證

　　2.1 入口導流罩分析

　　入口處導流罩通過縮小管道截面面積來提高裝置內部水流速度, 增加水輪機輸出功率. 收縮長度 L1和收縮角度 α 是影響導流罩性能的主要參數. 利用仿真軟件對不同導流罩幾何參數的內部流場進行分析, 優化導流罩尺寸, 以提高其性能. 不同幾何參數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, 增加收縮角度后導流管道入口處的水流速度相對有所下降, 但內部水流高速區域范圍相對增大. 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流管道內部高速區域范圍擴大, 有利于流速比的提高. 對比圖 3(b)和圖 3(d)發現, 當收縮角度較大時, 增加收縮長度使得入口處的水流速度降低, 導流管道內部的水流速度也有所下降. 上述結果表明, 收縮角度過大可能會導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 可發現, 不同收縮長度下, 隨著導流罩收縮角度的增加, 流速比呈現先增后減的變化趨勢, 當入口導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 出口導流罩分析

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

　　圖 6 是流速比隨擴張角度增加的變化曲線. 從圖 6 可看到, 在相同擴張角度下, 適當增加擴張長度能使得流速比提高. 數據表明, 選擇 L2=1.4d, β= 12°作為出口導流罩設計尺寸能獲得較好的性能, 此時流速比可達到1.13, 顯著提高了導流管道內部的水流速度.

　　2.3 導流罩對發電性能的影響

　　前文通過改變導流罩的幾何參數得到了優化后的收縮長度、角度以及擴張長度、角度的取值. 考慮到安裝導流罩與水輪機之間存在相互影響, 其實際效果難以僅通過流速比進行直接計算, 因此選擇 α=10°、L1=0.6d、L2=1.4d、β=12°作為出入口導流罩設計尺寸, 與水輪機相結合驗證其用于發電時的效果.

　　葉尖速比是影響水輪機發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 ; ? 為葉片轉速, rad?s-1 ; r 為葉片半徑, m.

　　根據式(3), 通過仿真軟件設定水輪機葉片轉速可獲得不同的葉尖速比, 從而得到水輪機的功率系數曲線, 對安裝導流罩前后的水輪機發電性能進行對比分析. 為便于對比加裝導流罩前后水輪機輸出性能的變化, 將裸葉片水輪機的最大功率系數設置為 1, 通過相對功率系數衡量加裝導流罩前后不同葉尖速比下的水輪機功率系數變化. 相對功率系數的計算公式為: pr pλ pmax C C C ? / , (4) 式中: Cpr 為相對功率系數; Cpλ 為不同葉尖速比下水輪機功率系數; Cpmax 為裸葉片水輪機的最大功率系數.

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

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

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

　　仿真結果表明, 無增速導流罩時總發電功率為1.54 W, 增加增速導流罩后總發電功率為2.16 W, 總發電量提高了 40%.

　　2.4 試驗研究

　　為驗證優化后增速導流罩的實際效果, 設計水下拖拽試驗進行發電性能測試. 試驗時, 發電裝置與導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上的卷線桶相連接, 啟動電動機可以收卷牽引繩, 拖拽發電裝置在水下移動, 通過調整電動機的轉速可以實現不同的拖拽速度, 從而實現對不同水流速度的模擬. 發電裝置與電阻串聯, 通過測量負載電阻上的電壓計算發電裝置的輸出功率, 并以此分析發電裝置的發電性能. 為了對比安裝增速導流罩前后, 負載電功率的增長情況, 量化發電裝置輸出功率的增長幅度, 根據不同流速下的負載電功率數據, 計算相對功率增長系數, 其計算公式為: d t r t , P P P P ?? (6) 式中: Pd為有導流裝置時的總負載電功率, W; Pt為裸葉片的總負載電功率, W.

　　試驗時, 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, 并通過多次反復移動, 獲得發電裝置外接電阻上的電壓信號, 最后根據式(6)對加裝增速導流罩前后的發電裝置功率變化進行計算, 結果如圖 8 所示.

　　通過控制滑車的移動速度, 拖動發電裝置以1 m·s -1 的平均速度在水下運動. 根據相對運動原理, 可認為此時的水流雙向流動的平均速度同為 1 m·s -1 . 試驗數據表明, 在相同試驗條件下, 加裝增速導流罩能使發電裝置發電功率相對提高約 37%, 此結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, 說明加裝增速導流罩對發電裝置性能的提高有效.

　　3 結論

　　(1)對增速導流罩進行優化設計發現, 在入口的收縮導流罩幾何參數中, 收縮角度對其性能影響最為顯著, 隨著收縮角度增加, 流速比呈現先上升后下降的變化趨勢; 對于出口處的擴張導流罩, 擴張長度對其性能影響較大, 在擴張角度保持不變時, 增加擴張長度有利于提高流速比, 當擴張長度保持不變, 流速比隨擴張角度的增加, 呈現先上升后下降的趨勢.

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

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