不同介質300 W 葉輪動力特性測試與數值模擬研究

摘 要： 為探究海流機與風力機的動力學相似特征，研究葉輪在不同介質中的動力特性變化規律。通過300 W 葉輪的水槽試驗與空氣中車載試驗對葉輪輸出功率進行測試，并建立一套針對不同介質中300 W 葉輪的數值仿真模型。結果表明，水槽試驗在葉尖速比最高點動力特性較低，葉輪動力特性隨葉尖速比的減小而升高；車載試驗中葉輪動力特性隨葉尖速比升高呈先上升后下降趨勢，在葉尖速比為4.8 時功率因數最大為29%；同時通過數值模擬分析300 W葉輪在不同介質中的運動情況。得出葉輪在水中渦流損失較小，但葉輪后方尾流低速區面積較大，導致葉輪利用效率降低，同時發現在水與空氣中來流流速越大尾流低速區恢復越快。對比試驗與仿真模擬動力特性變化規律一致。該文利用試驗驗證仿真模型的合理性，為后續葉輪機械的設計研究提供技術支撐。

關鍵詞： 葉輪機械; 不同介質; 動力特性; 水槽試驗; 數值模擬

中圖分類號： TB9; TK83 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0105–08

0 引 言

葉輪機械可將自然界中的流體能轉換為機械能進而產生所需電能，廣泛用于海流發電與風力發電之中，是我國利用清潔能源的主要研究對象，在“十四五”規劃中，強調要注重風電和水電能源的發展。葉輪機械作為主要能量捕獲部件對海流機與風力機的應用影響較大，海流機在低于2 m/s 流速下的發電經濟性較差，且實現對小于1 m/s 微小流速下海流能的利用較為困難，因此設計制造適用于低流速的葉輪機械至關重要。

對于低流速發電海流機葉輪設計多參考風力發電機，其研究多以試驗測試與數值仿真為主，浙江大學周宏賓等人[1] 根據海流能特點設計低流速海流能樣機，實現0.7 m/s 啟動，機組的整機效率約為27.3%。哈爾濱工程大學[2] 自主設計葉輪直徑4 m的“海能Ⅱ”號實現0.8 m/s 流速啟動。Myers 等[3]利用循環水通道對水平軸海流機進行測試，表明偏航對最佳功率的影響規律。愛爾蘭OpenHydro 公司[4] 設計的轉子形式水平軸水輪發電機在0.7 m/s成功發電。英國MCT 公司推出直徑為16 m 的SeaGen 發電機，在水深20 m 以下實現0.7 m/s 工作流速。英國SMD 公司設計的Tidel 水輪機也實現了0.7 m/s 正常工作。仿真方面Gu 等[5] 為降低研發成本，通過雙向流固耦合仿真模擬海流機葉片與流場的相互作用，得出數值模擬結果與實驗數據吻合良好。Avital 等[6] 通過仿真研究雙轉子水平軸海流機水動力性能，通過改變葉片安裝角將功率利用系數提高至0.55。

為提高海流機葉輪能量捕獲效率，譚俊哲等[7]基于相似理論，根據發展相對成熟的風力機葉輪設計理論對軸流式海流機葉輪進行縮放實現了預期目標。內蒙古農業大學韓巧麗團隊[8] 通過相似理論推導分析得到水與空氣介質的聯系，并利用車載試驗驗證了相似準則的合理性。基于相似理論，參考低速風力發電機組研究現狀，西班牙的Simen 和Gamesa 公司[9] 都研發了適用于7 m/s 以下的低速風力發電機組，國內聯合動力和金風科技都推出了永磁低風速風力發電機組。通過相似理論可研究葉輪機械在不同介質中的動力特性。針對不同介質仿真系統研究，顧夢凡等[10] 為提高水輪機在低流速下的運行效率，利用Fluent 數值模擬探索尖速比對低流速水輪機葉片的流場特性和功率特性的影響。李淑江等[11] 通過 CFD 軟件基于 RNG k-ε 湍流模型對不同翼型進行水動力特性數值模擬計算。Rahimian等[12] 采用對比理論與數值模型對不同尺寸2 葉片葉輪進行動力特性評估，利用拖拽水槽試驗結果評估不同數值仿真方法對2 葉片模型性能預測的影響。Nachtane 等[13] 利用仿真模擬了潮汐式水輪機復合結構偏轉引起水動力效應。

綜上，海流機與風力機獲取能量方式相似，但海流機葉輪存在設計周期長、測試成本高等問題，研究葉輪機械在不同介質中的動力特性變化規律。采用相似準則開展不同介質中葉輪的動力特性研究，并利用測試數據結合數值仿真建立一套針對于海流機和風力機不同介質的數值仿真系統，能夠在前期設計階段準確地預測出葉輪的動力特性，建立空氣與水不同介質之間葉輪的運動規律聯系，為后續葉輪設計提供有力支持，提高海流機設計經濟性，對低流速葉輪設計發展具有重要意義。