基于FLUENT的農(nóng)業(yè)灌溉管路微型水輪機(jī)發(fā)電效率的分析與研究

李杰，翁澤城，潘鶴立

（福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)系， 福州 350002）

0 引 言

我國是個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，但水資源的缺乏和污染已經(jīng)成為了制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。農(nóng)業(yè)發(fā)展的水平低，對(duì)灌溉用水需求量大[2]，灌溉季節(jié)的用電量大[3]。為了保證農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家大力增加農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)投入，把水資源和生態(tài)平衡擺在了戰(zhàn)略位置[4]。我國灌溉用水量極大但是利用率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。伴隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)得到了越來越普遍的應(yīng)用[5]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉技術(shù)多為漫灌、滲灌等大面積灌溉，這種灌溉方式在造成浪費(fèi)的同時(shí)還影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而利用管道輸水的方式可以合理控制灌溉輸配水，而且建造成本低、收益高，目前已經(jīng)在各種類型的農(nóng)業(yè)耕作中大量運(yùn)用，是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的主要措施之一[6]。農(nóng)業(yè)管道灌溉主要由固定噴灌區(qū)和固定滴灌區(qū)等部分組成，主要采用噴灌、滴灌以及使用管道輸水灌溉，整個(gè)灌區(qū)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)[7]。因此發(fā)展智能灌溉技術(shù)目的在于對(duì)水資源進(jìn)行合理利用，改善水資源管理的技術(shù)創(chuàng)新[8]。管道水流流速大，水壓高，葉輪在其驅(qū)動(dòng)下可以高速旋轉(zhuǎn)[9]，在灌溉管道中安裝超微型水輪機(jī)，管道中的高速水流沖擊水輪機(jī)葉輪使其旋轉(zhuǎn)，葉輪后接轉(zhuǎn)動(dòng)軸與加速裝置，連接發(fā)電機(jī)使其發(fā)電[10]。但是微型管道空間狹小，高速水流流態(tài)復(fù)雜，水流沖擊葉輪后其轉(zhuǎn)動(dòng)情況通常難以直接確定[11]，因此許多水輪機(jī)存在著發(fā)電速度慢的問題。本文為了提高水輪機(jī)發(fā)電速度，利用Fluent等軟件對(duì)其不同葉輪數(shù)量、葉片角度和葉片長(zhǎng)度下的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究。目前，國內(nèi)外對(duì)于小型管道水力發(fā)電的研究與實(shí)驗(yàn)已經(jīng)趨于成熟。根據(jù)管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸與管內(nèi)流體介質(zhì)的夾角，可將其劃分為垂直型和水平型。在垂直軸水輪機(jī)的研究方面，2016年段巍釗[12]設(shè)計(jì)了一款微型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自來水管網(wǎng)中的傳感器供電。胡卓煥[13]等人設(shè)計(jì)了一種安裝方便的垂直軸阻力型水輪機(jī)，用來代替減壓閥，消耗多余的壓力來進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電力供給住戶。水平軸水輪機(jī)的研究相對(duì)來說較少一些，2007年焦磊[14]等人針對(duì)大型工業(yè)油罐射流攪拌需要的驅(qū)動(dòng)渦輪的動(dòng)力輸出要求，搭建了通用性較好的管路液力渦輪動(dòng)力性能試驗(yàn)裝置。2015年盛傳明[15]等人利用簡(jiǎn)化風(fēng)車?yán)碚搶?duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，對(duì)海流能水平軸水輪機(jī)進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)。在湍流模型的選擇方面，熊朝坤[16]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型及壓力-速度校正算法在不同環(huán)境條件下對(duì)渦輪機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)其蝸殼和尾水管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其效率。鞏樊穎[17]鑒于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型在科學(xué)研究及工程實(shí)際中得到了最為廣泛的檢驗(yàn)和成功應(yīng)用以及計(jì)算過程中收斂性好、計(jì)算速度快，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)選用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。董爽[18]同樣也是選擇了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。肖騰[19]設(shè)計(jì)了一款水流發(fā)電系統(tǒng)用來解決城市供水管網(wǎng)低功耗設(shè)備的供電問題，在湍流模型的選擇中考慮到Realizablek-ε模型在各種復(fù)雜的情況下所反映的效果都不錯(cuò)，因此選擇Realizablekε模型作為水輪機(jī)設(shè)計(jì)的湍流模型。但是RNGk-ε模型在計(jì)算時(shí)考慮到了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，適用于水輪機(jī)計(jì)算。考慮到管道水流水體復(fù)雜，計(jì)算量較大，因此本文選擇RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算。在研究葉片以及轉(zhuǎn)角等方面，劉琪等人[10]設(shè)計(jì)了一種小型的管道水流發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了在管徑100 mm，流速1.5 m/s，管道壓力200 kPa條件下運(yùn)行的葉輪結(jié)構(gòu)。最終通過綜合考慮了水頭損失、輸出功率和效率后選取葉片轉(zhuǎn)角53°，葉片數(shù)6片為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，此時(shí)系統(tǒng)輸出功率為35 W,效率為82.5%，同時(shí)水頭損失為0.356 m，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)580 r/min，滿足供電需求。而后2021年[20]在考慮輸出功率為35 W，水頭損失不高于2%且效率高于80%，選取轉(zhuǎn)角為53°，數(shù)量為7的葉片的葉輪模型作為水輪機(jī)的葉輪，相較于上一次的6葉片模型做出了優(yōu)化。本研究根據(jù)水流管道特點(diǎn)，設(shè)置在水壓150 kPa，水流速度1.33 m/s，采取12mm內(nèi)管徑的四分管作為進(jìn)出口水管的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文是在水壓150 kPa、水流速度1.33 m/s以及同樣采取12 mm內(nèi)管徑的四分管作為進(jìn)出口水管的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)水輪機(jī)葉片為25片，水流方向與葉片夾角為75°時(shí)，為仿真實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)組合，轉(zhuǎn)速能達(dá)到1 148 r/min。國外研究方面，希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)的Kougias[21]等人在2014年提出了在供水系統(tǒng)中實(shí)施微型水力發(fā)電的綜合解決方案。葡萄牙里斯本大學(xué)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Irene Samora[22]等人在2016年提出了一種建設(shè)性的解決方案，該方案基于一種用于能量轉(zhuǎn)換的新型微型渦輪機(jī)-五葉片管狀推進(jìn)器(five blade tubular propeller)。Misco-Hydropower在網(wǎng)絡(luò)中的位置由優(yōu)化算法確定，該算法在運(yùn)行20年后使凈現(xiàn)值最大化。這些概念在瑞士弗里堡的Water supply systems進(jìn)行了測(cè)試。印度尼西亞三一一大學(xué)的Ari Prasetyo[23]在3英寸的管道下研究了不同導(dǎo)葉傾斜角對(duì)Savonius管道水輪機(jī)功率輸出的影響。

本文根據(jù)管道水流特性和超微型水輪機(jī)參數(shù)以及實(shí)物模型，利用建模軟件建立不同葉片數(shù)和夾角的水輪機(jī)葉輪模型并劃分流體域。以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）[15]為基礎(chǔ)，結(jié)合ANSYS CFD系列分析軟件為模型建立網(wǎng)格，并利用6DOF動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方法[24]，在固定管徑、水壓、流速的條件下，用Fluent【25】瞬態(tài)計(jì)算出葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并記錄葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速。計(jì)算葉輪的有效輸出功率，分析其流場(chǎng)，綜合考慮后選取最優(yōu)的葉輪模型。本文研究的超微型水輪發(fā)電機(jī)，借助管道高速水流發(fā)電，將電能存儲(chǔ)于電磁閥的供電電池中，有著綠色環(huán)保，節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，但存在著充電速度慢的問題。因此本文通過在仿真軟件中調(diào)整其轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量、葉片角度以及葉片長(zhǎng)度對(duì)其葉輪轉(zhuǎn)速、有效輸出功率和流場(chǎng)進(jìn)行研究，旨在找到提高發(fā)電效率的最優(yōu)組合方案。

1 試驗(yàn)方法

1.1 超微型水輪機(jī)模型的建立

根據(jù)超微型水輪機(jī)實(shí)物繪制3D模型，并將其導(dǎo)入Design Modeler軟件中建立水輪機(jī)模型，使用ANSYS軟件包中的Mesh軟件對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇合適的湍流模型，確定管道水流雷諾數(shù)以及湍流強(qiáng)度。用彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)的方法更新動(dòng)網(wǎng)格，設(shè)置計(jì)算方法、算法以及參數(shù)條件后開始計(jì)算。

1.1.1 超微型水輪機(jī)實(shí)物

超微型水輪發(fā)電機(jī)是一種小型的發(fā)電機(jī)器，其以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，將水流沖擊的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電[26]。在進(jìn)行灌溉時(shí)管道中的水流經(jīng)過水輪機(jī)，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子被帶動(dòng)起來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，輸出的電能為電磁閥供電[27]。本文研究的超微型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)物圖如圖1所示，其具有靜音高效、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，水流越快發(fā)電功率越大。

圖1 超微型水輪發(fā)電機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Drawing of ultra-miniature hydro-generator

1.1.2 超微型水輪機(jī)三維模型

根據(jù)超微型水輪機(jī)實(shí)物在Design Modeler建模軟件中建立水輪機(jī)模型，軸徑為28 mm，葉片帶有一定的弧度，其頂部葉片與水流沖擊方向的夾角約為75°，轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)14 mm，葉片和轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)度一致。使用軟件模式功能，將葉片繞轉(zhuǎn)軸圓周復(fù)制。對(duì)于不同的葉片數(shù)，使葉片在轉(zhuǎn)軸上均勻分布。對(duì)于不同夾角，重新建立葉片模型，改變其葉片與水流沖擊方向的角度。對(duì)于不同的葉片長(zhǎng)度，在增長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度的同時(shí)等量縮小葉輪軸徑。根據(jù)實(shí)物圖，其接水管徑為4分管螺旋管徑，建立管徑為12 mm的進(jìn)水管和出水管。如圖2所示，左邊水管為進(jìn)水管，右邊水管為出水管，進(jìn)出水管之間是圓柱形殼體，內(nèi)含水輪機(jī)葉輪。

圖2 超微型水輪發(fā)電機(jī)三維模型Fig.2 Three-dimensional model of ultra-miniature hydro-generator

由于后期使用6DOF動(dòng)網(wǎng)格時(shí)，編寫UDF程序文件時(shí)需要模型相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)，需要對(duì)葉輪進(jìn)行質(zhì)量估算，得出葉輪的質(zhì)量參數(shù)。將超微型水輪發(fā)電機(jī)的葉輪模型單獨(dú)提取出來并導(dǎo)入Soildworks中，使用其內(nèi)部的質(zhì)量評(píng)估程序，根據(jù)實(shí)物質(zhì)量設(shè)置其密度為0.429 萬kg/m3，記錄葉輪質(zhì)量、慣性張量、重心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)便于后續(xù)編寫UDF文件。

1.2 流體域的建立與網(wǎng)格劃分

在導(dǎo)入Fluent計(jì)算前，需要對(duì)模型進(jìn)行流體域建立和邊界命名，先在葉輪外部建立比葉輪稍大一些的旋轉(zhuǎn)域，再對(duì)邊界進(jìn)行命名，包括外部壁面Wall，內(nèi)部葉輪fan-wall，進(jìn)口inlet，出口outlet，外流域outer fluid domain，內(nèi)流域（葉輪旋轉(zhuǎn)域）inner fluid domain。

葉輪質(zhì)量屬性: model的質(zhì)量屬性

配置: 默認(rèn)

坐標(biāo)系: 默認(rèn)

密度=429（kg/m3）

質(zhì)量=0.004（kg）

體積=0（m3）

表面積=4.8×103（mm2）

重心: (mm)X=0；Y=0；Z=0

慣性主軸和慣性主力矩: (kg·mm2) 由重心決定。

Lx=(0,1,0)Px=0.281

Ly=(0,0,1)Py=0.281

Lz=(1,0,0)Pz=0.431

慣性張量: (kg·mm2) 由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系。

Lxx=0.431、Lxy=0、Lxz=0；

Lyx=0、Lyy=0.281、Lyz=0；

Lzx=0、Lzy=0、Lzz=0.281

建立流體域并進(jìn)行邊界命名后，需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖3。網(wǎng)格劃分是將整個(gè)模型劃分成大量微小的網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格區(qū)間都進(jìn)行方程計(jì)算，最后得出整個(gè)模型的物理量分布。因此網(wǎng)格劃分越密計(jì)算越精確，但是也會(huì)相應(yīng)的增加計(jì)算時(shí)間[28]。由于后續(xù)用到的6DOF動(dòng)網(wǎng)格彈簧光順結(jié)構(gòu)適用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，本文使用了ANSYS軟件包中的Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到于設(shè)備限制以及避免后續(xù)動(dòng)網(wǎng)格變化時(shí)出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，對(duì)該模型劃分了2 W個(gè)網(wǎng)格單元。

圖3 使用Mesh軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分Fig.3 Mesh generation of the model

1.3 Fluent計(jì)算

1.3.1 湍流模型的選擇

在Fluent計(jì)算前，需要對(duì)流體仿真的湍流模型進(jìn)行選擇，主要的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型以及k-ω模型。前三者的計(jì)算精度比較為：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型＜RNGk-ε模型＜Realizablek-ε模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計(jì)算精度太差，Realizablek-ε模型計(jì)算精度雖然高，但是這種模型在計(jì)算旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)網(wǎng)格時(shí)計(jì)算效率低，k-ω模型一般用于可壓縮流體計(jì)算。而RNGk-ε模型在計(jì)算時(shí)考慮到了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，適用于水輪機(jī)計(jì)算。考慮到管道水流水體復(fù)雜，計(jì)算量較大，因此選擇RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2 邊界條件的確定

設(shè)置流場(chǎng)流體為液態(tài)水，設(shè)置Y軸重力加速度為-9.81 m/s2。

根據(jù)該超微型水輪機(jī)的特性，其要發(fā)出24 V以上電壓需要0.15 MPa以上的水壓，此時(shí)水流量為9 L/min，換算為每秒流量即為0.000 15 m3/s。

式中：Q為流量，m3/s；S為水管截面面積，m2；v為水流速度，m/s。

可得該流量在12 mm管徑中水流速度為1.33 m/s。本文選擇速度入口和壓力出口作為邊界條件，流速設(shè)為1.33 m/s，管壓設(shè)為0.15 MPa 。

在設(shè)置速度入口和壓力出口時(shí)，還需要對(duì)相關(guān)的湍流參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)計(jì)算的是旋轉(zhuǎn)流域，且水管為標(biāo)準(zhǔn)四分管，采用湍流強(qiáng)度和水力直徑作為湍流參數(shù)。對(duì)于圓柱形管道，其管徑可直接作為水力直徑進(jìn)行計(jì)算，取水力直徑為12 mm，而湍流強(qiáng)度I可用以下公式得到

式中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度，取1 000 kg/m3；u為流體黏度，取0.001 kg/（m2·s）；v為流體速度，m/s；ReDH為用水力直徑計(jì)算出的雷諾數(shù)。

可得該環(huán)境下管道水流雷諾數(shù)為15 960，湍流強(qiáng)度為4.77%。

1.3.3 動(dòng)網(wǎng)格模型的建立

在fluent瞬態(tài)求解中，由于水輪機(jī)葉輪在不斷旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域添加動(dòng)網(wǎng)格模型。本文采用彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)的方法更新動(dòng)網(wǎng)格，在彈簧光順方式更新動(dòng)網(wǎng)格的過程中，其網(wǎng)格邊界就像是有彈性的彈簧，動(dòng)網(wǎng)格更新方式就像是彈簧在伸縮變化。在彈簧光順選項(xiàng)中，調(diào)整彈簧常數(shù)因子，彈簧常數(shù)因子的取值范圍為0～1，越接近0其動(dòng)網(wǎng)格變化幅度越大，越接近1其變化區(qū)域越局限在網(wǎng)格外圍。根據(jù)葉輪實(shí)際情況，葉片只在整個(gè)葉輪模型外圍旋轉(zhuǎn)，變形幅度相對(duì)小，因此取彈簧常數(shù)因子為0.8。在網(wǎng)格重構(gòu)選項(xiàng)中，設(shè)置當(dāng)網(wǎng)格最小尺寸長(zhǎng)度小于1 mm時(shí)，重構(gòu)網(wǎng)格，避免網(wǎng)格負(fù)體積的出現(xiàn)，使計(jì)算順利進(jìn)行。選擇6自由度的動(dòng)網(wǎng)格模型，打開隱式更新，確保計(jì)算曲線能夠收斂。根據(jù)葉輪質(zhì)量參數(shù)編譯6自由度動(dòng)網(wǎng)格UDF程序文件，并將其導(dǎo)入Fluent中編譯。該葉輪的質(zhì)量為0.0 040 293 kg，X方向、Y方向、Z方向的慣性張量分別為0.00 000 043、0.00 000 028、0.00 000 028，該葉輪在Y、Z軸上旋轉(zhuǎn)鎖定，只繞X軸旋轉(zhuǎn)，在X、Y、Z方向上移動(dòng)鎖定。設(shè)置葉輪壁面為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域類型設(shè)置成剛體區(qū)域，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)域動(dòng)網(wǎng)格被動(dòng)跟隨葉輪旋轉(zhuǎn)。對(duì)于不同的葉輪模型，由于其葉輪質(zhì)量參數(shù)改變，需要重新編譯6自由度動(dòng)網(wǎng)格UDF程序文件。

六自由度動(dòng)網(wǎng)格udf程序文件:

#inchde "udf h"

DEFINE_SDOF_PROPERTIES(retator,prop.dt.time.dtime)

{

prop[SDOF_MASS]=0.0040293;

prop[SDOF_IXX]=0.00000043;

prop[SDOF_IYY]=0.00000028;

prop[SDOF_IZ.Z]=0.00000028;

prop[SDOF_ZEROROT_Y]=TRUE;

prop[SDOF ZERO ROT Z]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_TRANS_X]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_ TRANS_Y]=TRUE;

prop[SDOF_ZERO_ TRANS_Z]=TRUE;

}

1.3.4 Fluent計(jì)算設(shè)置

將文件導(dǎo)入Fluent中，設(shè)置入口流速1.33 m/s，管壓0.15 MPa，湍流強(qiáng)度4.77%，水力直徑12 mm。設(shè)置計(jì)算方法為SIMPLE，采用二階迎風(fēng)算法，對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此方法比一階算法有著更高的精確度，對(duì)邊界條件進(jìn)行初始化后，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s，最大迭代數(shù)40，時(shí)間步數(shù)20 000步，開始計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速及有效輸出功率分析

由于該模型的質(zhì)量主要分布在轉(zhuǎn)軸，葉片質(zhì)量輕，每次改變模型只改變?nèi)~片區(qū)域，對(duì)其總質(zhì)量幾乎沒有影響。分析其不同模型轉(zhuǎn)速大小便能近似得出水流對(duì)水輪機(jī)出力大小，從而判斷何種模型發(fā)電速度最快。因此這里先對(duì)不同葉輪數(shù)的葉輪模型瞬態(tài)計(jì)算穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，通過Fluent瞬態(tài)計(jì)算得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果后，記錄葉輪轉(zhuǎn)速并觀察流場(chǎng)情況進(jìn)行分析。

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，繪制出轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)量的關(guān)系圖，見圖4。

圖4 水輪機(jī)葉片數(shù)和轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.4 Relationship between Blade number and speed of hydraulic turbine

由圖4可知，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速在葉片數(shù)為6片和10片時(shí)轉(zhuǎn)速接近，在增加到15片時(shí)其轉(zhuǎn)速得到一次小幅度的提升，在增加到20片時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速明顯加快，但當(dāng)增加到30片時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速驟減。該流場(chǎng)流態(tài)復(fù)雜，其水輪機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)律難以確定，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)在一定范圍內(nèi)存在著遞增的趨勢(shì)。但是超過一定范圍后轉(zhuǎn)速驟減，可能是由于葉輪過密，葉輪間縫隙過小，導(dǎo)致水流對(duì)葉輪的作用力變小，20片和25片葉片數(shù)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速明顯快于其他葉片數(shù)的水輪機(jī)。為了節(jié)約軟件計(jì)算時(shí)間，后續(xù)只對(duì)20葉片和25葉片數(shù)的水輪機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

對(duì)不同葉片夾角的葉輪模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，根據(jù)模擬分析的結(jié)果，繪制出葉片角度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，見圖5。得出當(dāng)水輪機(jī)葉片與水流沖擊方向夾角為75°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速最快，且明顯優(yōu)于其他情況，說明該角度的葉輪的合力矩明顯高于其他角度的葉片，選定角度為75°的葉輪夾角為該模型最優(yōu)葉輪夾角。

圖5 水輪機(jī)葉片角度和轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.5 Relationship Between Blade angle and speed of hydraulic turbine

增加葉片長(zhǎng)度再對(duì)葉輪模型進(jìn)行分析，在增加葉片長(zhǎng)度的同時(shí)縮小其葉輪軸徑，使葉輪模型的大小不變。根據(jù)模擬分析的結(jié)果，見表1，發(fā)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速與其葉片長(zhǎng)度的關(guān)系不大。

表1 25葉片90°角時(shí)不同葉片長(zhǎng)度的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速Tab.1 25 blade turbine speed at 90° angle

只要得出水輪機(jī)的力矩和角速度便可得由下式得出水輪機(jī)有效輸出功率。

式中：N為水輪機(jī)有效功率；M為轉(zhuǎn)輪力矩；ω為葉輪角速度；n為葉輪轉(zhuǎn)速。

由Fluent軟件中的計(jì)算監(jiān)控功能，得出葉輪fun-wall 繞X軸的力矩，并在動(dòng)網(wǎng)格模型記錄中得出葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由表2可知，25葉片數(shù)的水輪機(jī)有效輸出功率更高。

表2 20葉片和25葉片下的水輪機(jī)最大有效輸出功率Tab.2 Maximum effective output power of turbines under 0 blades and 25 blades

2.2 Fluent流場(chǎng)分析

模擬計(jì)算完成后，在fluent后處理中可得到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的云圖，圖6為流場(chǎng)速度云圖，圖7為流場(chǎng)壓力云圖，圖8為流場(chǎng)跡線圖。就25葉片水輪機(jī)的流場(chǎng)云圖展開分析。在YZ平面上建立新面plane，設(shè)置云圖顯示在plane面以及葉輪funwall上。

圖6 流場(chǎng)速度云圖Fig.6 Flow field velocity nephogram

圖7 流場(chǎng)壓力云圖Fig.7 Flow field pressure nephogram

圖8 流場(chǎng)跡線圖Fig.8 Flow field diagram trace diagram

觀察圖6流場(chǎng)速度云圖，水流在邊界流速緩慢，在水輪機(jī)葉輪周圍由于水輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流高速運(yùn)動(dòng)，但越接近葉輪軸心，水流速度越慢。觀察流場(chǎng)壓力云圖，見圖7，流場(chǎng)壓力在靠近水輪機(jī)處開始減少，在葉輪附近形成低壓區(qū)，且在經(jīng)過葉輪后壓力穩(wěn)定減少了約1 kPa，這是水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)造成的水頭損失。觀察流場(chǎng)跡線圖（圖8），在葉輪處形成了明顯的漩渦，符合實(shí)際情況。

3 討 論

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出和發(fā)展，智能灌溉系統(tǒng)發(fā)展迅速，解決灌溉系統(tǒng)供電是其中的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文針對(duì)用于智能灌溉電磁閥的一種超微型水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，其利用灌溉管道中的高速水流推動(dòng)水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將管道流水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)一步帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)水流動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量可以為蓄電池充電，保證智能灌溉電磁閥的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。本研究改變超微型水輪機(jī)的葉片數(shù)量和葉片角度對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，用農(nóng)業(yè)灌溉中大量使用的12 mm內(nèi)管徑的四分管作為進(jìn)出口水管，用軟件建立合適的葉輪模型，在1.33 m/s的水流速度和150 kPa的水壓進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件模擬，得出各葉片數(shù)的水輪機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速，對(duì)比其有效輸出功率，最后選定25葉片數(shù)、葉片與水流方向夾角75°的組合方案。但該實(shí)驗(yàn)仍存在許多不足，該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了水輪發(fā)電機(jī)模型，只考慮了葉輪結(jié)構(gòu)，沒有考慮其他連接件摩擦力等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，只研究了在特定條件下改變?nèi)~片數(shù)量的特定水輪機(jī)模型，不能代表其他環(huán)境下以及其他結(jié)構(gòu)的葉輪模型此時(shí)的葉片數(shù)量是最優(yōu)解，并且該實(shí)驗(yàn)使用計(jì)算機(jī)軟件模擬分析，與真實(shí)的農(nóng)場(chǎng)環(huán)境還是存在著許多區(qū)別。葉片設(shè)計(jì)理論以及超微型水輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的研究，不僅可以解決智能灌溉電磁閥的供電問題，其在智能家居等領(lǐng)域也能得到充分的利用，值得繼續(xù)深入研究。

4 結(jié) 論

本文在限定流速、管壓等條件下，利用FLUENT計(jì)算，重點(diǎn)研究12 mm內(nèi)管徑的四分管微型管道水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)。得到了以下的結(jié)論：

（1）在葉片數(shù)為6～20片時(shí)，轉(zhuǎn)速隨著葉片數(shù)量的增加而增加，但是當(dāng)增加到30片時(shí)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速明顯下降，可能是由于葉輪過密，葉輪間縫隙過小，導(dǎo)致水流對(duì)葉輪的作用力變小。

（2）實(shí)驗(yàn)得出在葉片夾角為75°時(shí)轉(zhuǎn)速最快，增加葉片的長(zhǎng)度并不能影響轉(zhuǎn)速，因此發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和葉片的長(zhǎng)度關(guān)系不大。通過Fluent軟件中的計(jì)算監(jiān)控功能得到葉輪fun-wall繞X軸的力矩，發(fā)現(xiàn)25片葉片數(shù)的水輪機(jī)有效輸出功率最高。本文最后選取葉片數(shù)25片，葉輪轉(zhuǎn)角75°的最優(yōu)組合，轉(zhuǎn)速達(dá)到1 148 r/min。研究表明，通過調(diào)整葉片的數(shù)量以及夾角可以提高微型水輪機(jī)的發(fā)電效率以及發(fā)電量，從而滿足智能灌溉系統(tǒng)的供電需求。