摘要：通过对水平轴双转轮潮流机组的研究，基于CFD计算，发现双转轮之间的流场耦合较好，没有出现明显的干涉现象，机组整体流动状态好。
关键词：水平轴；潮流能；双转轮；CFD；水力性能
潮流能发电是直接利用涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电[1][2]。本文提出了水平轴双转轮潮流机组模型，采用了双转轮结构有效缩小了转轮尺寸；通过对双转轮潮流机组进行CFD分析模拟，获得了其运行时的水力性能和水流扰动特征。
1数值模拟
1.1机组参数
潮流能水轮机机组参数如下表所示。
1.2三维模型建立与网格划分
采用ANSYS-ICEM软件进行网格划分，针对开放外流场区域和转轮区域，分别采用结构化网格，网格综合质量在0.6以上；结构化网格生成速度快，质量好，数据结构传递相对简单，区域光滑，与实际的模型更容易接近整个机组网格数量控制在500万左右。
1.3计算方法
本研究介质是海水，其流动为不可压缩黏性湍流，控制方程采用连续性方程及三维定常N-S方程进行求解计算。选用标准k-ε湍流模型进行计算求解，选择二阶迎风格式进行离散，本文采用SIMPLEC算法。
2.CFD计算结果
CFD计算工况为额定流速2.0 m/s、额定转速25 r/min时运行，通过CFD计算结果分析了机组流场分布、湍流分布等流场特点。
2.1 速度分布
图1为转轮纵剖面速度云图分布，从图中可以看出，叶片叶尖线速度最大，叶轮前后速度差较大；转轮旋转对周围流体有一定的扰动，在尾流中心及两侧速度均匀过渡，没有出现明显的低速区，速度梯度变化均匀，在离转轮中心3倍的距离流态开始恢复，转轮下游尾流低流速区呈不规则状，且该区域面积较工况1大，在叶轮下游3D左右已基本接近来流速度，说明双转轮之间的耦合较好，没有出现明显的干涉现象，双转轮结构对整体流态影响较小。
图1 纵截面速度云图分布
2.1 湍流分布
根据转轮及下游各轴向位置横截面的尾涡湍动能云图分布，转轮位置处，轴心位置清晰地出现椭圆形尾涡，在向下游发展传播过程中，椭圆形尾涡涡量不断衰减，尾涡发展到下游距离转轮3D位置处，尾涡逐渐消散；由此可知，转轮下游尾流的发展大体经历了生成，扩散，发展，收缩和耗散的过程。
2.3 转轮流场分布
图3为转轮对称面速度分布云图，由图可知：沿着径向向外方向，水流速度逐渐增大，叶片叶尖线速度最大，速度梯度变化均匀，具有良好的流动状态，在两个转轮之间的区域速度分布有些许扰动，范围很小，由此可知双转轮之间的耦合较好，没有出现明显的干涉现象。
图3 转轮对称面速度分布云图 图4 叶片各翼型流线分布
图4为叶片各翼型流线分布，由图可知，在截面1、2、3中，流线可以顺畅的流过翼型，流线未在叶片表面终止或产生环形绕流，这说明未发生边界层分离现象，因此不会导致叶片的失速出现。在截面4中，流线在翼型尾部出现了脱流和漩涡，这是因为靠近轮毂处，由于轮毂的阻碍作用以及此处的线速度较低导致流体出现脱流现象；同时因为出现脱流的区域面积较小、速度较低，因而不会对主流场造成影响。由此可知，本文设计的翼型具有良好的流体力学性能，有良好的流动特性。
3 结论
本文提出了水平轴双转轮潮流机组模型模型，通过CFD分析得出结论如下：
（1）在转轮前后流场区域流速显著变化，该区域之外流场相对稳定，在叶轮下游3D处，尾流平均速度已基本接近来流速度；两轴间距为1.18D的双转轮结构水轮机，其双转轮之间速度有较小幅值的脉动，但整个流场流线顺畅，说明双转轮之间的耦合较好，没有出现明显的干涉现象，两转轮结构对整体流态影响较小。
（2）叶片中流线可以顺畅的流过翼型，在轮毂处，流线在翼型尾部出现了脱流现象，由于此脱流的区域较小、速度较低，因而不会对主流场造成影响。由此可知，本文设计的翼型具有良好的流体力学性能，有良好的流动特性。
本项目通过CFD分析水平轴双转轮潮流机组模型模型进行计算分析可得出：双转轮机组在转轮轴间距为1.18D时，该机组具有良好的水力性能，能够稳定运行。
参考文献：
[1]张亮，尚景宏，张之阳，等.潮流能研究现状2015——水动力学[J].水力发电学报，2016（2）：1-15.
[2]盛其虎，赵东亚，张亮.水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报，2014，（04）：389-394.
论文作者:陈金林,朱方能
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/1
标签：转轮论文; 机组论文; 速度论文; 潮流论文; 叶片论文; 干涉现象论文; 下游论文; 《电力设备》2018年第11期论文;