CFD技术在潮流能发电装置设计中的应用
李志川'，肖钢'，张理'，于汀，张亮”
（1.申海油研究总院，北京，100027；2.哈尔滨工程大学，哈尔滨，150001）
上决定着整个发电系统的优劣，本文阐述了CFD技术在潮流发电装置设计开发中的优势及重 摘要：潮流能发电装置是潮流能发电系统的核心组成元素，发电装置的设计在很大程度要性，并结合实例，证明该方法在潮流能发电装置设计申的有效性.
关键词：潮流能；CFD：发电装置
中图分类号：TK730文献标志码：A文章编号：1009-3230（2013）01-0036-03
ApplicationofCFDintheDesignofTidalCurrent GeneratingDevice
[ Zhi-chuar² XIAO Gang’ ZHANG L² YU Ting ZHANG Liang²(1. CNOOC Rescarch Institute Beljing 100027 China;2. Harbin Engineering University Harbin 150001 China)
Abstract: The tidal eurent genersting device is one of the key ponents of tidal curent energygeneratioe system so the design of the device grealy influences the entire power generation system.The advantages and importance of CFD are described in the design of tidal curent generating device in thiserAn the etivenessf themehd is pved by deail.Key words: Tidal curent energy; CFD; Generating device
及配套软件计算性能得到大幅提高，CFD方法在叶轮机械研究方面的得到广泛的应用（-.
0引言
在“低碳经济”发展的趋势下，各国政府对包前所未有的高度重视和大力支持.潮流能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源，潮流能已成为海洋能开发技术领域最为活跃的分支之_.潮流发电装置中的水轮机设计是潮流能开发的核心环节.由于水轮机水动力性能要求很高，传统的设计方法需要进行试制和测量大量的 试验参数等工作，从而消耗大量的人力和财力，成本较高，对试验的依赖性较强，研制周期较长.近些年来，随着计算机的快速发展，计算流体软件以
括潮流能在内的海洋能源利用的科技问题给予了1CFD技术的优势
CFD技术与模型试验相比，改变各种模型参数和环境条件比模型试验简单，这样既可以拓宽研究参数的变化范围，提供更为详尽的数据和信息，又可以加快研究速度，节省时间和费用.CFD方法已成为叶轮机械设计的输助手段，它对优化水轮机相关设计、缩短性能预报周期，具有极为重要的意义.CFD方法的具体优点如下["].
（1）成本低、周期短.为获得最优设计方案，水轮机设计需要多方案比较，并且有些方案实现难度大，由于研究经费等原因，通常只进行少量的 模型试验比较，多方案选优的工作往往依靠CFD技术实现.
法.根据建立模型所需要的微分方程的数目，可分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型.
（2）信息量大.利用CFD技术，既可以显示整个空间的流动，又可以考察局部区域的流动；既可以考察积分量，如阻力、升力、扭矩，又可以考察分布量，如压力、速度、流线分布.同时，CFD技术的应用有助于揭示复杂流动现象.
二是直接建立端流应力和其它二阶关联量的输运方程.
三是大涡模拟.前两类是以淄流的统计结构为基础，对涡旅进行统计平均.大涡模拟把湍流分成大尺度和小尺度流，通过求解三维修正的N-S方程，得到大涡旋运动特性，面对小涡旋运动还采用上述模型.
（3）易并行化、能快速响应.随着各种超级计算中心的建成，为CFD技术的发展、为缩短水轮机性能预报所需的时间、实现快速响应和应用创造了良好的外部环境.
（4)进行机理性探索研究.CFD技术在微观、机理考察上具有明显优势.科研人员利用CFD工具，通过理解新技术措施提高性能的机理，对于改进设计起到了积极作用.
2.3CFD分析过程
CFD分析包括三个环节：前处理、求解和后处理，图1所示.
（5）采用全尺度几何模型，在真实物理、几何比带来的长期固扰人们的尺度效应问题. 尺度上计算求解，避免了在试验模拟时模型缩尺
2CFD方法
2.1控制方程
的数学描述.对粘性不可压缩流体，其控制方程 流体的基本控制方程是对流体流通守恒定律为连续性方程和动量方程.
图1CFD分析流程
(1）前处理模块建立反映工程间题本质的数学模型，划分合理的网格模型，确立初始条件和边界条件，定义求解问题的基本方程组.
(1)
(2)CFD方法主要是基于有限体积法和有限元法对流场问题求解.
(2)
（3）后处理模块用于显示计算结果，如速度场、压力场分布以及它们随时间的变化，后处理中能得到流场的全部信息.
式中：f为质量力，P为压力为动力粘性系数.
2.2流模型
当流模型很多，可归纳为以下三类.
目前应用广泛的商业CFD软件有Fluent、CFX、Phoenics、Star- CD.
将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与 一是淄流输运系数模型（Boussinesq，1877），流粘性系数的乘积
3应用实例
3.1CFD在水平轴水轮机设计的应用
(3)
水平轴式水轮机是目前广泛应用的一种水轮机，水轮机的能量利用率是表示水轮机吸收流体动能能力的参数，可表示为
推广到三维问题，用笛卡尔张量表示，有
(5)
(4)
模型的任务就是给出计算流粘性系数的方
C -入的关系曲线是设计控制系统的重要依据.采用CFD方法可以实现水平轴水轮机水动力性能预报，图2给出了CFD方法获得的某水平轴水轮机C，-入曲线.
图2Cp-A性能由线
可以看出，在某一流速下，随着入的变化，Cp先增大到达极值后变小.Cp只有在叶尖速比达到某一特定值时最大，因此，如果水轮机工作在恒定转速下，由于流速的变化，使水轮机不能保持在最佳工况.如果水轮机变转速工作，那么通过控制系统，根据流速而适当调节转速，使取得恒定的
最佳值，水轮机保持最佳工作状态.
图3给出的是水轮机在某运行状态下叶片表重要的参数，CFD方法更容易获得设计需要的 面的压力分布，叶片的表面压力是叶片结构校核信息.
图3叶片表面压力分布
3.2CFD在垂直轴水轮机设计的应用
垂直轴水轮机由于其工作不受来流方向限_.图4是采用CFD方法计算的，不同叶片数 制，结构简单，因此它也是应用最广泛水轮机之垂直输水轮机瞬时受力随位置角的变化.
图4叶片数对水轮机膜时受力的影响
变化，一周内波动次数是由叶片数决定的，叶片数 从图可看出叶轮瞬时受力系数随位置角的越多水轮机瞬时合力系数的最大值越小，的受力波动也越小，这对水轮机的结构强度、振动和疲劳是有利的.
图5给出了不同叶片数水轮机流场的速度分布.可以看出，流体流经水轮机后流速会下降，水轮机下游盘面的流速明显低于上游盘面，随着叶 片数的增加下降的越明显，这是因为随着叶片数的增加，水轮机的密实度增大，对流体的阻挡越明显.对流场速度分布分析，不仅可分析叶片受力变化原因，还可指导潮流发电场水轮机的布置.
图5叶片数对流场速度分布影响
3.3CFD在导流罩的设计及优化中的应用
潮流流速的大小在很长一段时间处于较低水
平，面潮流发电装置在流速达到一定值才启动，因此潮流水轮机可发电时间有限.导流罩技术可以有效的提高潮流的可利用范围，提高水轮机的效率.
导流罩的原理是利用壁面对流场的干扰，让更多的流体流人提高罩内流速，将轮机置于导流罩内部，就增大了轮机出力，进而提高发电量.导流罩的基本结构如图6.
围9流速沿径向变化
4结束语
文中对CFD技术在潮流能发电装置设计中的应用进行了描述，介绍了CFD方法的优势、基本理论，以及CFD方法的分析流程，并举例说明了CFD技术在潮流能发电装置设计中的具体应用，综上所述，CFD技术正成为潮流能发电装置设计的中有力工具，虽然CFD方法在收敛性和精度上还有待改进，但是随着计算机技术及计算数学技术的发展，CFD必将逐步成为潮流能发电装 置设计中的主要手段.
图6导流罩示意图
参考文献
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图7CFD计算速度分布云图
数进行理论研究，并对导流罩进行设计. 采用CFD方法对影响导流罩性能的主要参
图7给出了CFD计算的流场速度分布云图，可以清晰看出导流罩内部流场的速度明显高于外部流场.
图8和图9给了凸缘高度对导流罩加速性能的影响，可以看出，加速性能随着凸缘高度的增加而增加，到达一定高度后，对加速性没有影响.
0.0图8流速治流动方向变化
