海底边界效应对海流发电水轮机水动力性能影响研究

盛传明，练继建，林大明，徐 宝，黄宣旭

(1. 天津大学 前沿技术研究院有限公司，天津 301700; 2. 江苏道达海上风电工程科技有限公司， 江苏 南通 226000)

海底边界效应对海流发电水轮机水动力性能影响研究

盛传明1，练继建1，林大明1，徐 宝1，黄宣旭2

(1. 天津大学 前沿技术研究院有限公司，天津 301700; 2. 江苏道达海上风电工程科技有限公司， 江苏 南通 226000)

对30 W海流能水平轴水轮机进行叶片设计，应用FLUENT软件对水轮机的水动力性能进行数值模拟，研究了边界效应对叶片表面压力、流场、湍流强度、获能和轴向力的影响。受海底边界效应影响，海流速度沿深度呈现梯度变化，底层流速较小，中上层流速较大。边界效应导致水轮机的水动力性能呈现周期性变化，降低了水轮机的获能和轴向力。机组布置时，宜选择水流稳定且流速较大的中上层区域。

水平轴水轮机；水动力性能；边界效应；海流能

Abstract: The blade of a 30W horizontal axis marine current turbine was designed. Numerical simulation of hydrodynamic performance of marine current turbine was made by using computational fluid dynamic software FLUENT. The influence of boundary effect to surface pressure distribution of blade, velocity distribution of flow field, turbulent kinetic energy, power and axial force were analyzed. Velocity gradient along the water depth is caused by boundary effect of bed. The closer to bottom, the smaller flow velocity. Boundary effect leads to periodic change of hydrodynamic performance, and power and axial force is reduced then. Marine current turbine should be installed in the upper level of seawater which has a stable and larger velocity.

Keywords: horizontal axis turbine; hydrodynamic performance; boundary effect; power

寻求和发展可再生清洁能源是当前不可逆转的新趋势，世界各国都在积极开发新型可再生能源[1]。海洋海流能由于储量丰富、载荷稳定、可预测性强等优点而备受青睐，是近年来发展较快的海洋能能种之一[2]。海流发电水轮机是一种利用海流能来获取能量的旋转机械，通过叶片的升力效应推动水轮机旋转做功，带动发电机发电，将海流能转化为电能，提供清洁能源。

近年来，随着计算流体力学的发展和计算机软硬件水平的提高，众多科研机构应用CFD方法对水轮机的水动力性能进行了深入研究。英国Southampton大学应用CFD和模型试验相结合的方法，对水轮机的性能进行了总结研究[3]；英国Exeter大学对水轮机建立解析模型和CFD模型，对其进行对比研究[4]；国内哈尔滨工程大学[5]、中国海洋大学[6]和浙江海洋学院[7]等研究机构应用CFD方法对垂直轴、水平轴水轮机性能进行了相关研究。

受海底边界效应的影响，海流速度沿水深呈现梯度变化，距离海底越近，流速越小[8]。英国Southampton大学使用理论方法，对受边界效应影响下水轮机获能进行预测[9]。水轮机运行在梯度流中，其水动力性能将产生一系列变化，目前对此方面的研究较少。本文以30W海流发电水轮机为例，应用CFD方法研究边界效应对水轮机水动力特性的影响。

1 水轮机设计

1.1叶片设计主要参数

水轮机叶片设计的主要参数为：水轮机额定功率P=30W，设计流速V=1.11 m/s，设计获能系数CP=0.35。

1.2翼型和尖速比

翼型的选择对水轮机的水动力性能具有至关重要的作用，英国University of Southampton对海流发电水轮机进行了多次试验研究，试验水槽长和宽分别为2 m和0.5 m，水深0.5 m，水流流速4 m/s，试验结果表明NACA63-8XX系列翼型的获能系数较高[10]。本文试验水槽长10 m，宽1 m，水深1.2 m，水流流速可达3 m/s，水槽结构相似，采用NACA63-8XX系列翼型。

本文叶片数目为3，根据水轮机叶片数与尖速比的匹配关系[11]，确定设计尖速比为3。

1.3叶片结构参数

利用简化风车理论，参考文献[12]的设计思路，确定叶片各截面的弦长和安装角如表1所示。

表1 叶片结构参数Tab. 1 Blade structure parameters

1.4水轮机参数

根据设计流速与额定功率，确定水轮机参数如表2所示。

表2 水轮机参数Tab. 2 Turbine specifications

1.5三维模型图

应用Solidworks软件建立叶片模型和水轮机模型，如图1所示。

图1 叶片模型和水轮机模型Fig. 1 Blade model and turbine model

2 水轮机数值模型建立

2.1控制方程

假设流体是不可压的，流场的连续方程和动量方程为：

连续方程：

动量方程：

式中：ui、uj为速度分量(m/s)，xi、xj为位置坐标分量，P为流体压力(Pa)，μ为流体动力粘性系数。

采用SSTk-ω湍流模型[13]。该模型是由Menter发展而来，相较于其它湍流模型具有较多优势，文献[13]给出了SSTk-ω湍流模型中湍流动能k和比耗散率ω的输运方程及各参数的值。

2.2模型建立和网格划分

运用Gambit软件建立水轮机网格模型，将计算域分为流体域和旋转域，应用滑移网格技术对计算域进行网格划分，将旋转域的外表面设置为滑移网格交界面。为了保证计算精度且提高运算效率，本文采用四面体非结构网格，对旋转域网格进行加密处理，网格总数为1 031 623，计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格Fig. 2 Mesh of computational domain

2.3设置求解器和边界条件

采用分离式求解器隐式算法，动量、湍流动能均采用二阶迎风格式离散，压力-速度耦合使用SIMPLE算法，对水轮机叶片的转矩和轴向力进行监测。入口边界条件设置为速度入口(velocity inlet)，出口边界条件设置为自由流出口，滑移边界设置为接触面，上表面设置为自由表面，其余边界设置为固壁。

3 速度梯度

3.1试验模型

图3 水轮机试验模型Fig. 3 Turbine model in experiment

在循环水槽中进行模型试验，试验设备包括水轮机模型、DASP数据采集系统、Vectrino流速仪、发电机、可变电阻、循环水泵等，发电机功率50W，额定转速267 r/min，负载大小可调，试验模型如图3所示。

3.2数值模拟

数值模拟水槽长5 m，宽1 m，水深1.2 m，编写用户自定义函数UDF，对不同水深水流速度进行定义(包括上表面)，将其作为入口速度，模拟流速1 m/s时入口截面速度分布，如图4所示。

3.3水轮机位置

水轮机3枚叶片具有对称性，将水轮机布置在水深0.3 m位置，不同时刻水轮机位置如图5所示。

图4 入口截面速度分布Fig. 4 Vectrino current meter

图5 不同时刻叶片位置Fig. 5 Blade position at different time

3.4流速验证

调节循环水泵得到水流流速，将流速仪置于水轮机前方2 m位置，改变流速仪入水深度测量此水流流速下纵向水深流速；将流速仪置于水轮机后方不同位置测量尾流流速，入水深度0.3 m。调节循环水泵得到不同水流流速，重复进行流速测量，对比纵向水深流速和尾流流速，结果如图6所示。

由图6可知，入口流速相同时，数值模拟与模型试验测得的水流流速变化趋势一致，水轮机前方突降，水轮机之后随着距离增大而增大；数值方面，试验值和模拟值相差不大，验证数值模拟方法的可行性。

图6 流速对比Fig. 6 Comparison of flow velocity

4 计算结果及分析

4.1叶片表面压力分布

当水流流速1 m/s时，对比不同时刻叶片表面压力分布，如图7所示。

由图7可知，水轮机旋转时，不同时刻叶片表面压力发生变化，最大压力出现在T时刻，位于叶片前缘，最大压强值为3 405 Pa，最大负压强为-4 336 Pa。叶片表面压力周期性的变化会缩短叶片的使用寿命。

图7 叶片表面压力分布Fig. 7 Surface pressure distributions of blade

4.2叶轮中心截面速度分布

当水流流速为1m/s时，对比不同时刻叶轮中心截面速度分布，如图8所示。

图8 叶轮中心截面速度分布Fig. 8 Velocity distributions of impeller center section

由图8可知，在梯度流环境下，叶轮中心截面速度出现周期性变化，最大速度出现在T/2时刻，位于轮毂左下方叶片扫掠面的前方，最大速度值为2.36 m/s，叶轮中心截面速度周期性变化会导致水轮机输出功率不稳定，影响水轮机的获能。

4.3湍流强度

当水流流速1 m/s时，对比不同时刻叶轮纵剖面湍流强度分布，如图9所示。

图9 纵剖面湍流动能分布Fig. 9 Turbulent kinetic energy distributions of longitudinal section

由图9可知，在梯度流环境下，叶轮纵剖面湍流强度不恒定，最大湍流强度出现在T/2时刻，湍流强度周期性变化会导致下游水流流态不稳定，对下游机组获能带来不利影响。

4.4水轮机叶片获能特性

4.4.1 水轮机获能

当水流流速为1 m/s时，将水轮机置于水深0.3 m位置，研究边界效应对水轮机获能的影响，如图10所示。

由图10可知，边界效应对水轮机获能影响较大，考虑边界效应时，水轮机获能功率不恒定，获能数值低于不考虑边界效应时获能，此计算工况损失的能量约为总获能的15%。

4.4.2 尖速比影响

当水流流速为1 m/s时，改变不同尖速比，研究水轮机获能系数，如图11所示。

图10 水轮机获能曲线Fig. 10 Power curve of turbine

图11 水轮机获能系数对比Fig. 11 Comparison of power coefficient

由图11可知，随着尖速比增大，获能系数呈现先增大后减小的趋势，最佳尖速比为3.5，边界效应没有改变获能系数的变化趋势，只是降低了获能系数值。

4.4.3 深度影响

当水流流速为1 m/s时，将机组布置在不同水深位置，研究水深与获能系数的关系，如图12所示。

由图12可知，中上层水域流速较大且相对稳定，此处水轮机获能系数较高，当水轮机置于水深0.3 m位置时，最大获能系数为35.2%，满足设计要求；下层水域流速小且变化幅度大，此处水轮机获能系数较低。水轮机组宜布置在流速较大且流态稳定的中上层水域。

4.5水轮机轴向力

水轮机轴向力与机组的支撑结构有密切的联系，轴向力越大，越需要支撑结构提供更大的支持力来固定水轮机。当水流流速为1 m/s、叶尖速比为3.5时，不同时刻水轮机轴向力曲线如图13所示。

图12 获能系数对比Fig. 12 Comparison of power

图13 水轮机轴向力曲线 Fig. 13 Axial force curve of turbine

由图13可知，考虑边界效应时，轴向力呈现周期性变化，边界效应降低了水轮机的轴向力，此计算工况轴向受力降低了10%。

5 结 语

本文应用CFD方法，研究了边界效应对海流发电水轮机水动力性能的影响，得到如下结论：

1)水流速度沿水深呈现梯度变化，中上层较大，底部较小。水轮机旋转时，叶片表面压力、中心截面速度、湍流动能都呈现周期性变化。

2)边界效应使水轮机获能和轴向力呈现周期性变化，机组获能系数和获能功率有所降低。

3)为了使水轮机获得较大、平稳的输出功率，应合理布置水轮机的位置，尽量避开海底水流不稳定的低速区，选择水流稳定且流速较大的中上层区域。

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Influence of boundary effect to hydrodynamic performance of marine current turbine

SHENG Chuanming1, LIAN Jijian1, LIN Daming1, XU Bao1, HUANG Xunaxu2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, The Frontier Technology Research Institute Limited Company of Tianjin University，Tianjin 301700,China; 2. The Offshore Wind Power Engineering Technology Limited Company of Jiangsu Daoda, Nantong 226000, China)

1005-9865(2017)02-0075-08

TK730.2, P743.1

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.011

2016-06-23

江苏省科技支撑计划-工业部分资助项目(BE2014091)；与防波堤结合的新型波浪能发电及利用关键技术资助项目

盛传明(1987-)，男，山东潍坊人，工程师，主要从事海洋可再生能源研究。E-mail: 1094897747@qq.com