安装高度对水平轴潮流能水轮机尾流特性的影响_王烨.pdf

第36卷第4期,2023年7月 宁 波 大 学 学 报（理 工 版）中国科技核心期刊 Vol.36 No.4,July 2023 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY(NSEE)中国高校优秀科技期刊 DOI:10.20098/ki.1001-5132.2022.0717 安装高度对水平轴潮流能水轮机尾流特性的影响 王 烨1,朱善强2,李振琦3,李广年1*（1.宁波大学 海运学院,浙江 宁波 315832;2.合肥天鹅制冷科技有限公司,安徽 合肥 230051;3.天时海洋工程及石油装备研究院（青岛）有限公司,山东 青岛 266000）摘要:为探究水轮机的安装高度对水轮机尾流场的影响,本文以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对水轮机尾流特性进行分析.分别设置水轮机的中心距离海底高度为 1.5D、2.0D、2.5D(D 为水轮机直径),对水轮机尾流场的轴向、径向上的速度亏损以及涡量结构图进行分析.研究结果表明:安装高度为 1.5D 时,约在下游轴向位置X/D=15(X为轴向距离)处,梢涡与海底碰撞导致涡结构发生破损,这也使得该工况在下游 X/D=15 后的速度亏损明显大于安装高度 2.0D 和 2.5D,而安装高度为 2.0D 和 2.5D 工况的速度变化基本一致.同时从 3 种工况不同轴向位置速度亏损图可以看出,从下游 X/D=10 开始,最大亏损速度均出现在中心轴线的位置.因此在考虑到对下游流场的影响和安装的成本时,建议安装高度为 2.0D.关键词:潮流能水轮机;安装高度;数值模拟;尾流特性 中图分类号:TK730.7 文献标志码:A 文章编号:1001-5132（2023）04-0007-07 潮流能是一种能量密度高、规律性较强、土地占用率低的清洁可再生能源,在实际应用中,潮流能水轮机的安装位置对单桩潮流能水轮机以及水轮机阵列排布的影响不可忽略1.潮流能水轮机一般布置在海底,其安装高度和所处环境对实际性能影响较大.Myers 等2通过改变实验水槽中致动器盘的垂直位置来研究边界邻近性的影响,发现致动器盘越靠近海床,尾流速度的亏损越大.张亚超3采用小威龙测速仪在水槽中测试了水轮机的尾流流场,研究来流速度、水轮机安装高度、水轮机推力系数及潮流场海底地形对水轮机尾流的影响.Kolekar 等3研究了边界邻近的影响,结果表明水轮机离床层越远,就推力和功率系数来说,其性能就越好.但水轮机离自由表面太近时,自由表面将变形,并与尾流产生强烈相互作用,从而导致水轮机性能下降.Aghsaee 等5通过 LDV 测试水轮机流场,研究了在固定水轮机轮毂高度和流入条件下,水深变化对水平轴水轮机尾流的影响,结果显示水越深,速度恢复得越快,但与两个较浅的水深相比,其在尾流中保持了较高的湍流强度水平.郑源等6通过水槽实验和数值模拟的方法,对具有单桩支撑结构的水轮机尾流流场进行研究,结果显示安装高程越高,会导致沿转轮中心直线处的流速恢复越快.张玉全等7-8将动量理论与 CFD 方法相结合,通过致动盘来模拟水轮机对流场的作用,结果表明该方法能够较为精确地模拟出水轮机远场尾流上的变化情况;此外还在循环水池中利用ADV 技术研究不同水深工况下水平轴潮流能水轮机尾的流场特性,研究表明不同水深会影响近尾流区域内速度亏损形状和远尾流区域速度恢复.本文以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用 CFD 方法对水轮机尾流特性进行分析,并分别 收稿日期:20220801.宁波大学学报（理工版）网址:http:/ 2025”重大专项（2020Z076）.第一作者:王烨（1998）,女,浙江嘉兴人,在读硕士研究生,主要研究方向:流体机械仿真研究.E-mail:*通信作者:李广年（1981）,男,山东东平人,博士/教授,主要研究方向:海洋动力能源、船舶推进.E-mail: 8 宁波大学学报（理工版）2023 设置水轮机的中心距离海底高度为 1.5D、2.0D、2.5D(D 为水轮机的直径),对水轮机尾流场轴向、径向上的速度亏损以及涡量结构图进行分析.1 问题描述问题描述 1.1 CFD 基本理论基本理论 采用的CFD软件为NUMECA Fine/Marine,求解器使用不可压缩非定常雷诺平均纳维斯托克斯方 程(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations,URANS).基于有限体积法建立输运方程的空间离散化,速度场由动量守恒方程得到,压力场由质量守恒约束或连续性方程得到,转化为压力方程.质量守恒方程、动量守恒方程分别如下:()0iiUtx+=,(1)()()ijjiijijjiUUUUUPtxxxxx+=-+|()ijiiju ugSx-+,(2)式中:Ui、Uj为速度分量;xi、xj为位置坐标分量;i、j 为张量的分量;为水的密度;P 为静压;iju u-为雷诺应力项,通过湍流模型求解;为水动力黏性系数;Si为动量方程的附加源项.在研究翼型的水动力特性时,鉴于湍流模型中的 SST k-模型与实验值具有较好的吻合值,且该模型对近壁区域、尾流、绕流计算结果也比较准确5,因此本文的计算模型采用 SST k-湍流模型.1.2 研究对象与计算设置研究对象与计算设置 文中研究对象是直径为 700mm的三叶片水平 图 1 水轮机模型 轴潮流能水轮机9,如图 1 所示,该模型由 15 个NACA63-418 截面控制其形状(其中,R 为水轮机半径).采用长方体计算域,对旋转状态下的水平轴潮流能水轮机绕流场进行求解.在数值模拟过程中,采用大地固定坐标系 O0X0Y0Z0对水轮机的运动情况进行描述,具体设置条件如下:坐标系原点 O0定义在水轮机模型重心位置,X0为水流方向,Z0沿水深竖直向上,Y0采用右手定则得到.静止域设置的入口距离水轮机中心位置为 6D,出口距离水轮机中心为 30D,长方体的宽和高均为 6D;旋转域设置为以水轮机中心为中心,高度为0.3D,直径为1.2D,以X轴为旋转轴的圆柱.边界条件方面,设置静止域入口为速度入口,出口为压力出口,其余 4 个面为远场边界.对尾流场的网格进行细化加密.计算域网格总数约为 381 万,静止域网格数约为 288 万,旋转域网格数约为 92 万,网格划分及边界条件与旋转域网格如图 2 和图 3 所示.图 2 网格划分及边界条件 图 3 旋转域网格 1.3 验证和确认验证和确认 CFD 模拟的精度通常随着网格密度的增加而提高,特别是在复杂流动区域.网格收敛性分析的目的是检验流动模拟结果对网格的依赖性,对网r/R=0.31.0 NACA63-418 r/R=0.150.2 椭圆段 r/R=0.20.3 过渡段 r/R=00.15 轮毂 Y Z X X Y Z 旋转域 速度 入口 压力 出口 远场 36D 6D 6D 第 4 期 王烨,等:安装高度对水平轴潮流能水轮机尾流特性的影响 9 格进行成本效益分析,以此表明所获得结果不受所用网格质量的过度影响.网格密度足够高的网格能够更好地模拟细小区域的流场,并捕捉流动中的泄出涡和近壁面剪切层.这种精度的提高通常是非线性的,即便增加计算成本,精度提高仍很小.按照 ITTC 的推荐,网格无关性研究采用 3 套网格,分别为细网格、中等网格、粗网格,网格细化比G2r=,上节中的网格设置对应中等网格,并以中等网格为基础,2倍增大或减小网格尺寸.如图 4 所示,交接面上的尺寸大致相等,满足滑移网格计算的要求.本文参数设定:选择非定常计算,介质为 15的海水,密度为 1026.021kgm-3,湍流模型选择SST k-,水轮机转速为 270rmin-1,初场水流速度为 2ms-1,水流方向与进口边界垂直,物理时间步长设置为每100个时间步长水轮机旋转一周,计算10000 步,每步迭代 10 次.3 套网格计算结果见表1.对力矩进行验证和确认,计算结果见表2和表3.由于G00.16671R=,可得上述3套网格为 表 1 3 套网格的网格数量和计算结果 参数 细网格 中等网格 粗网格 网格总数 7 445 491 3 810 117 1 819 876 计算力矩 Q/(Nm)22.3 21.9 19.5 表 2 网格尺寸计算力矩的验证 RG pG CG UG G*SC UG,C 0.167 5.17 5.00 0.72-0.4 22.7 0.32 表 3 网格尺寸计算力矩的确认 E EC UV UV,C 2.5 0.743 3.73 2.44 单调收敛,网格收敛性满足.修正后不确定度UG,C=0.32.此工况对应力矩的试验值B=22.87Nm,因为V|EU,所以 UV层的确认得以实现;又因为CV,C|EU6 时,工况 1 的速度亏损均大于其他 2 种工况;当 X/D6 时,安装位置距离海底1.5D 的速度亏损大于其他 2 种工况,X/D6 时,其速度亏损在其他 2 种工况之间.(3)通过对不同安装高度的涡结构图分析,可以看到安装位置距离海底 1.5D 的涡结构在下游X/D=15 之后与海底碰撞发生耗散,这样造成安装高度为1.5D的工况在下游X/D=10后的速度亏损明0 5 10 15 20 25 30 X/D 0 5 10 15 20 25 30 X/D 0 5 10 15 20 25 30 X/D-1.0-0.5 0 0.5 1.0 螺旋度 第 4 期 王烨,等:安装高度对水平轴潮流能水轮机尾流特性的影响 13 显大于其他2 种工况,且与前文不同轴向位置速度损失相对应.(4)当安装高度达到 2.0D 时,水轮机尾流对下游影响相对减小,且随安装高度的增加,尾流变化相对较小,考虑到对下游流场的影响和安装的成本,建议水轮机的安装高度为距离海底 2倍水轮机的直径.参考文献参考文献:1 魏东泽,吴国荣,郭欣,等.潮流能开发技术研究进展J.可再生能源,2014,32(7):1067-1074.2 Myers L E,Bahaj A S.Experimental analysis of the flow field around horizontal axis tidal turbines by use of scale mesh disk rotor simulatorsJ.Ocean Engineering,2010,37(2/3):218-227.3 张亚超.水平轴潮流能发电机尾流效应的实验研究D.杭州:浙江大学,2014.4 Kolekar N,Banerjee A.Performance characterization and placement of a marine hydrokinetic turbine in a tidal channel under boundary proximity and blockage effects J.Applied Energy,2015,148:121-133.5 Aghsaee P,Markfort C D.Effects of flow depth variations on the wake recovery behind a horizontal-axis hydrokinetic in-stream turbineJ.Renewable Energy,2018,125:620-629.6 郑源,李东阔,张玉全,等.单桩结构的潮流能水轮机尾流流场分析J.太阳能学报,2019,40(11):3031-3038.7 张玉全,郑源,孙勇,等.基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究J.可再生能源,2019,37(1):144-150.8 张玉全,张智,张继生,等.水深变化影响下潮流能水轮机尾流场特性实验研究J.中国电机工程学报,2020,40(21):6973-6982.9 Song M,Kim M C,Do I R,et al.Numerical and experimental investigation on the