雙螺旋轉子式波浪能發電裝置數值仿真分析

劉森明，何宏舟，李居躍，鄭松根

（集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021）

雙螺旋轉子式波浪能發電裝置數值仿真分析

劉森明，何宏舟*，李居躍，鄭松根

（集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021）

將波浪能轉化為電能是海洋能研究的一個熱點，設計了一種利用波浪上下運動帶動螺旋轉子轉動的雙螺旋轉子式波浪能發電裝置。利用Fluent對雙螺旋轉子葉片數量、葉片長度、螺旋轉子與圓管間隙之間的距離進行壓力及速度分布特性的數值仿真分析，計算出雙螺旋轉子在不同情況下的力矩，其結果表明：對于某固定的雙螺旋轉子，葉片數量、葉片長度、輪緣間隙存在最佳值使轉輪轉矩達到最大，為下一步定量優化裝置提供了理論依據。

波浪能；發電裝置；雙螺旋轉子；Fluent軟件；數值仿真

波浪能具有存在范圍廣、儲量大、能流密度大等特點[1]，波浪能發電可為邊遠海域的海島建設、國防、海洋開發、農業生產等提供電力。開展海洋能波浪發電技術研究，對于開發利用海洋、優化能源結構、發展低碳經濟等具有重要的戰略意義[2-3]。

長期以來，制約波浪能大規模發電利用的一個主要瓶頸是波浪能發電裝置的能源采集和轉換效率較低，發電成本較高。為了提高裝置對波浪能的采集效率，近年來人們做了很多研究：在理論計算方面，梁賢光等[4]發現三維波下點吸收裝置具有聚波效應，具有較高波能采集效率；在裝置優化設計方面，SALTER[5]設計了一種點頭鴨裝置，能減少裝置向后興波，使得在相當寬的頻譜內，裝置效率都能達到最優狀態；實驗方面，勾艷芬等[6]對陣列式振蕩浮子式裝置進行了試驗研究，發現省去二次能量轉換過程，能夠提高裝置效率。

本論文提出了一種雙螺旋轉子式波浪能發電裝置，該裝置的特點是海水從上方向下流還是沿著相反方向流入轉輪，波浪力沿著軸切向方向始終是順時針的，并利用Fluent軟件對模型進行數值仿真分析，得到雙螺旋轉子的最佳值，其結果可為雙螺旋轉子式波浪能發電裝置的優化設計提供理論參考。

1 雙螺旋轉子式波浪能發電裝置的結構與工作原理介紹

雙螺旋轉子式波浪能發電裝置的總體結構如圖1所示，其主要由4部分組成：圓管——用來保護轉輪；內、外轉輪——用來將波浪能轉換成旋轉的機械能；主軸——用來傳遞旋轉機械能；上、下密封片——用來封閉水流通道。

雙螺旋轉子式波浪能采集裝置的運行原理為：當海水上漲時，下密封片會在水流沖擊下遮住內螺旋通道，因此水流只能從外螺旋通道流進，從而推動螺旋轉子葉片旋轉運動，如圖2所示；當海水下降時，上密封片會在水流和自身重力作用下遮住外螺旋通道，因此水流只能從內螺旋通道流出，從而推動螺旋轉子葉片旋轉運動，如圖3所示。如果在外部加載發電機等裝置，即可將旋轉機械能轉換成電能。

圖1 雙螺旋轉子裝置示意圖

圖2 海水上漲時上下密封片狀態

圖3 海水下降時上下密封片狀態

該裝置結構簡單，能充分利用波浪上漲和下落兩方面的能量，通過水流與螺旋轉子的相互作用，完成波浪能向旋轉機械能的轉換。對潮水水位變化適應性強，適合于海島、海上燈塔等處的發電。

2 數值仿真建模

模型初始尺寸參數如表1所示。根據實際情況，水流進入圓管涵道做無旋轉單向流動，軸向速度分別取0.8 m/s，1.0 m/s，1.2 m/s，1.4 m/s，1.6 m/s。流體介質為17℃水，密度為998.2 kg/m3，動力粘度為0.001 308 Pa·s。出口邊界設置為壓力出口，且設置出口中心為相對壓力參考點。

進出口及圓管涵道區域采用相對靜止參考坐標系，葉輪區域采用旋轉坐標系，相對角速度為逆時針5 rad/s。進水流道區域和出水流道區域采用非結構化Hex六面體網格，轉輪區域采用Hex六面體和Tet四面體混合的非結構化網格。

表1 模型初始尺寸

考慮到計算時間及成本，由于水流在螺旋轉子內的實際流動是復雜的三維運動，在建立波浪運動方程時，要選擇合適的湍流模型，由于κ-ε模型具有較好的穩定性和良好的預測能力，因此CFD軟件在工程上一般引入κ-ε方程來替代求解，其表達式為：

將Gambit中建好的網格模型導入Fluent中，設置初始化條件后進行迭代運算，求解出螺旋轉子在不同幾何參數下壓力、流場速度分布，如圖4和圖5所示，考察裝置幾何參數對性能的影響[7-8]。

圖4 模擬仿真的壓力云圖

圖5 模擬仿真的速度云圖

3 仿真結果分析

雙螺旋轉子式波浪能發電裝置的性能與螺旋轉子葉片數量、葉片長度、螺旋轉子與圓管之間的間隙大小有關，通過流場數值模擬研究葉片數量、葉片長度、螺旋轉子與圓管之間的間隙大小對裝置性能的影響。

3.1 葉片數量的影響

假定其他參數保持不變，分別取葉片數為2，3，4，5，6，7，8，9個，經過數值仿真計算，得出轉輪轉矩與葉片數變化之間的關系，如圖6所示。

圖6 螺旋轉子轉矩隨葉片數變化關系曲線圖

圖6表明，在其他參數保持不變的情況下，對于某固定的雙螺旋轉子，葉片數量存在有最佳值，葉片數在6個左右時水流在螺旋轉子上的轉矩達到最大，且來流速度越大這種現象越明顯。

取葉片數分別為為4，6，8個時，分析葉片數對流場狀況的影響。結果如圖7所示。

圖7 葉片數的影響

從圖7（a）可以看出，在流速相同的情況下，葉片數為6個的雙螺旋轉子葉面上的壓力分布比較均勻，呈現從高到低的分布趨勢，說明葉片數的改變對葉面壓力分布有一定的影響，葉片數較高或較低時水流在螺旋轉子上的徑向流動增加，導致葉片低壓區面積減少，壓差變小，而葉片數為6個的雙螺旋轉子能較好地適應水流的沖擊，在相同情況下比雙螺旋轉子數為4、8個的轉矩大。

從圖7（b）可以看出，葉片數為6個的雙螺旋轉子葉面上的速度分布層次更明顯，可以說明水流在葉片數為6個的雙螺旋轉子上的流動過程中，流動損失更小，在出口處沒有明顯的回流、渦流現象，從而轉矩大小比雙螺旋轉子數為4、8個的更高。

3.2 葉片長度的影響

假定其他參數保持不變，當葉片長度分別取值為40，45，50，55，60，65，70，75，80 mm時，經過數值仿真計算，得出轉輪轉矩與葉片長度變化之間的關系，如8所示。

圖8 螺旋轉子力矩隨葉片長度變化關系曲線圖

圖8表明，在其他參數保持不變的情況下，對于某固定的雙螺旋轉子，葉片長度存有最佳值，葉片長度在60 mm左右時水流在螺旋轉子上的轉矩達到最大，且來流速度越大這種現象越明顯。

取葉片長度分別為40 mm，60 mm，80 mm時，分析葉片長度對流場狀況的影響。結果如圖9所示。

圖9 葉片長度的影響

從圖9（a）可以看出，在流速相同的情況下，60 mm軸向長度的壓力分布比40 mm和80 mm軸向長度的壓力分布均勻，原因主要是對于同一雙螺旋轉子，隨著葉片長度的增加，水流對雙螺旋轉子的作用面積增加，使其受到更多沖擊力，達到一定值后水流在葉面上形成渦流和回流，導致沖擊力抵消減小。從而長度為60 mm的葉片轉矩比長度為40 mm和80 mm的葉片轉矩高。

從圖9（b）可以看出，60 mm葉片長度速度分布比較均勻，速度分布層次比40 mm和80 mm葉片長度更明顯，沿程阻力較小，從而可獲得較高的轉矩。

3.3 螺旋轉子與圓管之間的間隙距離的影響

假定其他參數保持不變，分別取螺旋轉子與圓管之間的間隙為3，4，5，6，7，8，9 mm，經過數值仿真計算，得到轉輪轉矩與螺旋轉子與圓管之間的間隙變化的關系，如10所示。

圖10 螺旋轉子力矩隨間隙變化的關系曲線圖

圖10表明，在其他參數保持不變的情況下，對于某固定的雙螺旋轉子，螺旋轉子與圓管之間的間隙取3 mm較為合適，隨著間隙增大，泄漏損失增加，轉矩減小，裝置效率降低。但也不是間隙越小越好，還要考慮到轉輪運轉的穩定性、安全性，選擇合理的間隙。

取間隙為3 mm和7 mm的轉輪在Y=5 mm、Y=55 mm位置處（Y=5 mm接近轉輪水流入口，Y= 55 mm接近轉輪水流出口）分析螺旋轉子與圓管之間的間隙對流場狀況的影響。結果如圖11所示。

圖11 輪緣間隙的影響

從圖11(a)和圖11(b)可以看出，轉輪的入口壓力基本相等，但間隙為7 mm的轉輪在出口處壓力要低于間隙為3 mm的轉輪，整體壓力分布沒有間隙為3 mm的轉輪分布的均勻。說明隨著間隙的增大，轉輪泄漏增加，裝置力矩也隨著下降。

從圖11(c)和圖11(d)可以看出，7 mm間隙轉輪內流場不僅存在軸向流動還存在徑向流動。靠近壁面處由于粘性底層的影響，速度比較小，流道內的跡線比較紊亂，而3 mm間隙流場速度分布則更有層次感，說明3 mm間隙相較于7 mm間隙流動速度穩定，葉片可以更高效地將海水的動能和勢能轉化為旋轉機械能。

4 結語

本文利用計算流體力學軟件對雙螺旋轉子式波浪能發電裝置進行了三維模擬仿真，通過對葉片數量、葉片長度、葉緣間隙等影響轉輪性能的參數進行計算模擬，得到相應的流動場壓力及速度分布特性，結果表明:對于某固定的雙螺旋轉子，葉片數量、葉片長度、輪緣間隙存在最佳值，使得轉矩最大。文中為波浪發電提供了一種新的思路，取得了部分有意義的階段性研究成果，為后續該類型裝置加工設計和實際應用有一定的參考意義。

[1]張天闊,劉月超.全球新能源面面觀[J].高科技與產業化,2007,02:64-69.

[2]羊曉晟.振蕩浮子式海洋波浪能發電裝置的設計[D].上海：上海海洋大學，2010.

[3]李成魁,廖文俊,等.世界海洋波浪能發電技術研究進展[J].裝備機械,2010,2:68-73

[4]梁賢光，王偉，杜彬，等．后彎管波力發電浮標模型性能試驗研究[J]．海洋工程，1997,15(3):77-86.

[5]Salter,SH.Wave power[J].Nature,1974,249(5459):720-724.

[6]勾艷芬,葉家瑋,李峰,等.振蕩浮子式波浪能轉換裝置模型試驗[J].太陽能學報,2008,04:498-501.

[7]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[8]劉勝柱.水輪機內部流動分析與性能優化研究[D].西安:西安理工大學,2005.

Numerical Simulation Analysis on the Double Helix Rotor Type Wave Energy Power Generation Device

LIU Sen-ming,HE Hong-zhou,LI Ju-yue,ZHENG Song-gen
College of Marine engineering,Jimei University,Xiamen 361021,Fujian Province,China

Converting wave energy into electricity is a hotspot in marine energy research.In this paper,a double helix rotor type wave energy power generation device is designed,which could acquire energy by utilizing the up and down motion of ocean waves.The Fluent software is adopted to conduct numerical simulation analysis on the characteristics of pressure and velocity distribution in the number of the blade,the length of the blade and the distance between the screw rotor and circular tube clearance.The double helix rotor torque is calculated under different situations.The results show that,for a fixed double helix rotor,the number of the blade,the length of the blade and the impeller clearance all have optimal values to maximize the rotor torque.The results obtained in this paper provide a theoretical basis for further quantitative optimization for the wave energy power generation device.

wave energy;power generation device;double helix rotor;fluent software;numerical simulation

P743.2

A

1003-2029（2017）02-0111-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.019

2016-01-04

福建省海洋高新產業發展專項資助項目（閩海高新[2014]16號）

劉森明（1990-），男，碩士研究生，主要從事波浪能發電裝置方面的研究。E-mail:liusenming513@163.com

何宏舟（1967-），男，博士，教授，主要從事海洋可再生能源開發利用技術方面的研究。E-mail：hhe99@jmu.edu.cn