水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟_陈正寿
潮汐电站贯流式水轮机的流场数值模拟
ｔ ｎ ｌ ｔ ｏ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｖ ｅ — ｔｋ ｓ ｅ ｕ ｔ ｎ．ｔｅ ｓａ ｄ ｒ － ｐ ｉ ｎ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｄ ｌ ｎ ｎ ｒ ｅ ｙ ｒ ｃ ｅ ｎｔ ｅ Ｓ Ｍ— ｉ ａ ｈ ｄ ｗａ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｎａ ｉｒＳ ｏ ｅ ｑ ａ ｉ ｏ ｍｅ ｏ ｈ ｔｎ ａｄ ｋ ｅ ｓ ｏ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｍｏ ｅ ｄ ａ２ ｄ ｏ ｄ ｒ ｂ ｄ ｓ ｈ ｍｅ ｉ ｈ Ｉ ｌ ａ ｈ ｉ
０ 引 言
水轮 机是水 电站 的核 心部 件 ， 性 能 决 定 了水 电 其 站对 水能 源 的利 用率 。水轮 机 的传 统研 究方 法一 般是 把经 验设计 与模 型试 验相 结 合 ， 由于 试 验反 复 进 行 但 才能得 出相对 比较 满 意 的结 果 ， 时又 耗 资 。随 着计 耗 算机速 度 的不 断提 高和计 算 流体力 学 （ Ｆ 技 术在 水 Ｃ Ｄ）
ＰＬＥ ｓ ｈｅ ｅ Ａｉ ｉｇ ａ ｈｅａ ｃ ａ ｙ ｏ ｈ ｄ ｏｕ ｂｉｅ ｅ ｆｒ ａ ｅ ｐ ｅ ｉｔｏ ｃ ｍ ． ｍ ｎ ｔｔ ｃ ｕｒｃ ｆｔ ｅ ｈｙ ｒ ｔｒ ｎ ｓ ｐ ｒｏ ｍ ｎｃ ｒ ｄ ｃｉｎ，ｔ ｏ ｐ ｔ ｔ ｎａ ｅ ｕｌ ｒ ｏ ｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔｅ ｅ ｐ ｆ— ｈｅ ｃ ｍ ｕ ａｉ ｌｒ ｓ ｔ ｗｅ ｅ ｃ ｍ ａ ｅ ｔ ｈ ｘ ｅ ｏ ｓ ｉ
ｄｉｔｎ ｈｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆｔｅ ｈｙ ｏｕ ｂｉｅ ． Ｔｈｅｎｕ ｒｃａ ｔ ｄ ｉ ｔｆ ｒｏ ｔｍｉｉ ｇ ｔ ｄ ｏ ｏ ｒｄｅ ｉｎ． ｃｉ ｇ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｄｒ ｔｒ ｎ ｓ ｆ ｍｅ ｉ ｌｍｅｈｏ ｓｆ ｐ ｉ ｚｎ ｈｅｈｙ ｒ ｐ ｗｅ ｓｇ ｉ ｏ
反 向全 流道 维 流场 做 了数 值 计 算 。针 对 水 轮 机 性 能 预 测 的 准 确 性 问 题 ， 计 算 所 得 的 模 型 水 轮 机 效 率 值 与 河 海 大学 提 供 的 Ｈｕ 将 ． ｅｔ 算 结 果 及 模 型 试 验 数 据 进 行 了 比较 分 析 。研 究 结 果 表 明 ， 改 进 算 法 对 于 水 轮 机 模 型 内部 流 场 是 精 确 可 靠 的 ， 用 于 优 化 改 ｎ计 该 适 进 水轮 机 性 能 ， 能够 提 高 其效 率 。 关 键词 ： 厦 潮 汐 电 站 ； 轮 机 ； 算 流 体 力 学 ； 率 江 水 计 效 中 图分 类 号 ：Ｈ ３ ． ：Ｈ１２ Ｔ ４ ２ １ Ｔ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １— ５ １ ２ １ ）０— ０ １— ４ １０ ４５ （ ００ １ ０２ ０
水平同轴转柱体间隙区域间水动力数值模拟研究
2021年4月
谈雯倩，等 水平同轴转柱体间隙区域间水动力数值模拟研究
187
型以作为今后泰勒库特流设计小尺度均匀表面粗糙度实验的指导。泰勒库特流的数值模拟是近年来研究 的热点问题，泰勒库特流模型在军工、航空、动力工程、生物工程、水处理、防洪、生态环境保护和膜分离等领 域有着广泛的应用，因此对它的研究具有重要的理论和实践意义。
3-a实验速度矢量图
3-b模拟速度矢量图
石為s
图3雷诺数Re = 124子午面速度矢量图
Fig. 3 Velocity vector of meridian plane at Re = 124
Fig. 4 Comparison of radial velocity on the central axis of meridian plane at Re = 124
2.2临界雷诺数时流场模拟结果
2.2.1临界雷诺数时流态分布
临界雷诺数子午面速度矢量图如图1所示。上实线代表泰勒库
特流装置内壁，下实线为外壁，内部曲线为速度等值线，等值线之间 的差值为0.1倍内壁转速。
l-a实验速度矢量图
图1 - a为Wereley等通过实验得到的结果，本文模拟所得的临
界雷诺数在104和105附近，则此时的子午面流速矢量图如图1 -b、
1 -c所示。
通过图1 -b、图1 - c可以看出,雷诺数为104时,水流泰勒涡状
不明显，雷诺数为105时，泰勒涡充分发展，流态涡型明显。
子午面速度矢量图体现了径向流动造成的速度变化。图1 -吐
图1 - c等值线变形较为一致，内壁处高速流体向外流动，夕卜壁处低
速流体向内流动，从而形成涡状。明显的流体向外流动的速度大于
第42卷第2期 2021年4月
直叶H型潮流水轮机三维数值模拟
直叶H型潮流水轮机三维数值模拟
付士凤;郑源;梁晓玲;阚阚;陈会向;杨春霞
【期刊名称】《水利水电科技进展》
【年(卷),期】2017(037)002
【摘要】为了探究直叶H型潮流水轮机水动力性能的影响因素,在理论分析的基础上,应用大型建模软件UG建立了直叶H型潮流水轮机三维模型,基于滑移网格技术采用Fluent软件对水轮机模型进行三维数值模拟,在保持直叶H型潮流水轮机叶片翼型一定、水轮机密实度相同的条件下,通过改变转轮叶片数以及来流速度,分析了潮流水轮机水动力性能.结果表明,叶片数对直叶H型潮流水轮机水动力性能影响很大,叶片数越多,输出扭矩值越小,当叶片数为3、叶尖速比为1.63时,水轮机最高获能系数为31.21%.
【总页数】5页(P33-36,62)
【作者】付士凤;郑源;梁晓玲;阚阚;陈会向;杨春霞
【作者单位】河海大学水利水电学院,江苏南京 210098;河海大学水利水电学院,江苏南京 210098;河海大学文天学院,安徽马鞍山 243031;河海大学水利水电学院,江苏南京 210098;河海大学水利水电学院,江苏南京 210098;河海大学水利水电学院,江苏南京 210098
【正文语种】中文
【中图分类】TK730.2
【相关文献】
1.垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析 [J], 李霆;陈兵;
2.水平轴潮流能水轮机三维数值模拟 [J], 宋文龙;刘湘晨;周晓;张馨玉
3.弯曲型及顺直型河道水流三维数值模拟 [J], 陈翠霞;张小峰;冯向珍;雷恬恬
4.弯曲型及顺直型河道水流三维数值模拟 [J], 陈翠霞;张小峰;冯向珍;雷恬恬;
5.双层直斜叶及其组合桨搅拌槽三维流场数值模拟 [J], 梁瑛娜;高殿荣
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析
Vol. 43, No. 1Jan., 2021第43卷第1期2021年1月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析张之阳1,王晓航2,刘蔵兴1,纪仁玮駡郭广廓4(1.江苏海洋大学机械与海洋工程学院，江苏连云港222005;2.哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150001;3.哈尔滨工程大学海洋可再生能源研究所，黑龙江哈尔滨150001;4.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510000)摘 要：潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分，为提高潮流能利用效率，本文基于叶素-动量理论(BEM)方法，给出Glauert 涡流设计理论在水平轴潮流能叶轮设计上的应用。
采用BEM 理论和CFD 数值模拟方法对设计的潮流能叶轮进行水动力性能分析，计算其在不同叶尖速比下的功率特性，2种方法的结果表现了较好的一致 性。
在此基础上，基于BEM 理论，进一步分析叶片表面的载荷分布情况，选取叶片沿展长方向的3个不同位置， 分析翼段的流体动力特性随速比的变化规律。
计算结果表明，潮流能叶轮工作特性满足对功率和效率的要求， 说明了设计方法的可靠性。
本文的研究成果为今后水平轴潮流能叶轮设计及水动力性能预报提供有价值的参考。
关键词：水平轴叶轮；叶片设计：水动力分析；BEM 理论；CFD 数值模拟中图分类号：P743 文献标识码：A文章编号：1672 - 7649(2021)01 - 0078 - 05 doi ： 10.3404/j.issn.l672 - 7649.2021.01.014Design and hydrodynamic performance analysis of horizontal axis tidal current turbineZHANG Zhi-yang 1, WANG Xiao-hang 2, LIU Wei-xing 1, JI Ren-wei 3, GUO Guang-kuo 4(1. School of Mechanical and Ocean Engineering, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China;2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150001, China;3. Institute of Ocean Renewable Energy System, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;4. The Fifth Electronics Research Institute ofMinistury of Industry and Information Technology, Guangzhou 510000, China)Abstract: Tidal current energy is an important component of marine renewable energy. In order to improve the effi ciency of tidal current energy utilization, the application of Glauert eddy current design theory in the design of horizontal ax is tidal current turbine (HATCT) is presented based on the blade element momentum method. Secondly, the BEM theory andCFD numerical simulation method are used to analyze the hydrodynamic performance of the designed HATCT, and thepower characteristics of the HATCT under different tip speed ratios are calculated. The results of the two methods are in good agreement. On this basis, based on BEM theory, the load distribution on the blade surface is further analyzed, and threedifferent positions along the blade extension direction are selected to analyze the variation of hydrodynamic characteristics of the wing section with the speed ratio. The calculation results show that the working characteristics of the HATCT meet therequirements of power and efficiency, and the reliability of the design method is illustrated. The research results of this pa per provide valuable reference for the design of the HATCT and the prediction of its hydrodynamic performance in the future.Key words: horizontal axis tidal current turbine ; blade design: hydrodynamic analysis ; BEM theory; CFD numerical simulation0引言生能源，潮流能具有储量丰富、分布集中且可预测性强等优点。
带附体潜艇尾流场的数值模拟与验证
带附体潜艇尾流场的数值模拟与验证李艳;姚震球【摘要】对美国DARPA潜艇模型SUBOFF尾流场进行了数值模拟,采用湍流模型k-ε、k-ω与壁面函数相结合,直接求解RANS方程,并将计算结果与试验结果进行了比较分析,验证了数值方法的可靠性.在此基础上将SUBOFF模型改变为"X"型尾翼,对其尾流场进行了数值模拟分析.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2006(020)002【总页数】6页(P7-12)【关键词】计算流体力学;潜艇;尾流场【作者】李艳;姚震球【作者单位】江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】U661.30 引言含附体潜艇周围粘性流场特别是尾流场不仅是其水动力性能的基本反映,而且是艇体水动力噪声的主要来源,因此潜艇尾流场流动特性的研究直接关系到新型安静型潜艇的设计。
一直以来模型试验是研究船舶流场的重要方法。
随着计算机技术的迅猛发展,数值计算方法逐渐成为研究船舶流场的另一有效方法。
对于潜艇流场的数值计算,国内外水动力学界正在进行研究。
中国船舶科学研究中心对潜艇流场也进行了大量的试验和计算研究。
赵峰、周连弟[1](1996)采用k-ε湍流模型对潜艇含指挥台附体区域周围粘性流场进行了计算。
张楠[2](2005)采用k-ε、RNG k-ε、k-ω 3种湍流模型预报了美国DARPA潜艇模型SUBOFF与CSSCR潜艇模型SM-x 的阻力与尾流场,并将计算结果与试验结果对比验证。
Huang[3](1992)对SUBOFF 艇型进行了系统的风洞尾流场试验,采用BL模型、修正的BL模型与k-ε模型详细计算了桨盘面处的轴向无量纲速度。
Bull[4](1996)通过变化网格的形式和数量、湍流模型、流动求解器,对SUBOFF AFF-1(裸艇体)与AFF-8(全附体)的尾流场的数值模拟进行了系统的验证。
基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究
基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究张玉全;郑源;孙勇;张继生;臧伟;刘惠文【摘要】相比于三维CFD叶片真实模拟,致动盘方法将水轮机简化为流场中分布有作用力的核心区域,所需网格大大降低,节省了计算资源和计算时间.文章介绍了一种精度适中、计算成本较低的潮流能水轮机CFD致动盘数值模拟模型,将动量理论与CFD方法相结合,通过致动盘来模拟水轮机对流场的作用,通过求解Navier-Stokes方程获得尾流场.对比基于致动盘理论的数值模拟结果与真实水轮机的水槽实验数据,结果表明,致动盘数值模拟在远尾流处的结果比近尾流处更加接近实验值,致动盘方法很容易捕捉到远尾流的流场情况.研究结果可为潮流能大规模利用的数值模拟提供依据和参考.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】7页(P144-150)【关键词】潮流能水轮机;尾流场;致动盘方法;模型实验;数值模拟【作者】张玉全;郑源;孙勇;张继生;臧伟;刘惠文【作者单位】河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100;河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100;江苏省秦淮河水利工程管理处,江苏南京 210001;河海大学港口海岸与近海工程学院, 江苏南京 210098;河海大学水利水电学院, 江苏南京 210098;河海大学能源与电气学院, 江苏南京 211100【正文语种】中文【中图分类】TK6;P743.20 引言相比于其它形式的海洋可再生能源，潮流能在能量密度、稳定性、可预测性和生态环境等方面具有诸多优势，因此，对潮流能水轮机的研究也日益受到关注。
为了最大化利用潮流场的能量，往往需要在潮流场中布置多台水轮机机组，并且尽可能缩小机组间距以增加机组数量，下游水轮机往往会处于上游水轮机的尾流当中，尾流的恢复系数以及扩张范围对下游水轮机的负载以及整个潮流场的能量输出具有重要影响。
因此，研究上游水轮机尾流恢复的程度以及机组下游尾流的扩张程度具有重要意义。
15-潮流能水平轴水轮机导流罩水动力学特性数值分析
中国可再生能源学会2011年学术年会论文（海洋能）潮流能水平轴水轮机导流罩水动力学特性数值分析陈存福1，王树杰1,2,袁鹏1，谭俊哲1(1.中国海洋大学工程学院山东青岛266100(2.流体传动及控制国家重点实验室浙江杭州310058)摘要：运用CFD软件，采用二维模型对潮流能水轮机导流罩内部进行数值分析。
分析不同形式、不同参数下导流罩压力场和速度场，研究了线型、关键参数对导流罩水动力特性的影响。
研究表明，该数值模拟方法能够有效预测导流罩性能，为潮流能水轮机导流罩的优化设计提供一定的理论基础。
关键词：潮流能；导流罩；CFD；水动力性能基金项目：2010年海洋可再生能源专项资金（GHME2010ZC04；GHME2010GC02-2）；流体传动及控制国家重点实验室基金（GZKF-201007）通讯作者：王树杰（1961—），男，博士，教授，主要研究领域为海洋能利用、海洋机电工程。
wangshujie@0引言随着能源问题的日益严峻，各国都在积极发展高效、清洁的新型能源，许多国家把发展海洋能做为发展新能源的重大战略。
以英国为代表的欧美国家，在潮流能的研究方面走在了世界的前列[1][2]。
潮流能在世界各个地域分布差异较大，英伦三岛和北美沿岸，潮流流速较大，最大流速可达4m/s 。
我国有海岸线1.8万多千米，由于地理环境不同，各地方潮流流速差异很大。
在渤海的大部，潮流流速低于0.77m/s ；黄海流道内的流速在0.5~1.0m/s 之间；浙江和福建一些地方，流道流速在1.0~1.5m/s 之间，涨潮流速最大可达3.0m/s [2]。
中国潮流能总量蕴含丰富，但流速偏低，造成了机组过大，成本较高。
鉴于流速的制约，国内许多潮流能研究机构都在积极研究应对策略，如何在低流速下最大限度的获取潮流能量一直是研究的热点。
导流罩是一种可提高流速的装置，将水轮机置于导流罩内可较大提高罩内流速，提高水轮机工作效率。
阿根廷University of Buenos Aires 和美国University of Illinois 的F.L.Ponta 等人研究了导流罩在垂直轴潮流能水轮机中的应用[3]；Thierry MAÎTRE 等人对二维混流式水轮机导流罩进行了研究，分析了二维翼型导流罩出口对水轮机效率的影响[4]；哈尔滨工程大学的孙科等人对潮流能双向导流罩进行了初步的研究，探讨了垂直轴二维导流罩的水动力学特性[5]；中国海洋大学的王树杰等人，用LBM 算法研究了二维导流罩水动力学性能，为导流罩研究探索了新的模拟方法[6]。
混流式水轮机尾水管涡带的数值模拟及压力脉动预测
混流式水轮机尾水管涡带的数值模拟及压力脉动预测随着混流式水轮机的单机容量和结构尺寸朝着巨型化发展,其在稳定运行性方面出现的问题越来越突出。
混流式水轮机在偏离设计工况特别是在部分负荷下运行时,转轮出口的旋流会在尾水管中产生螺旋状涡带,该涡带引起的压力脉动是引起水轮机水力不稳定的最主要原因。
到目前为止评价水轮机水力稳定性的主要手段仍是进行模型压力脉动试验,在设计阶段还不能有效预测控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动。
如何在设计阶段能有效控制所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动,变事后评估为设计过程中控制是提高水轮机的水力稳定性的有效途径。
因此有必要借助数值模拟方法,研究混流式水轮机尾水管流道的几何参数、运行工况与尾水管涡带产生的关系,探索其尾水管涡带压力脉动的预测计算方法,进一步研究用于在混流式水轮机设计过程中优化流道设计,及指导电站运行过程中减轻尾水管涡带影响和扩大稳定运行工况范围。
本文结合某高水头水电站混流式水轮机转轮增容改造过程中的转轮设计方案分析的需求,在分析前人关于混流式水轮机的流场、尾水管涡带以及尾水管涡带引起的压力脉动的机理研究的基础上,采用水轮机全流道非定常湍流数值模拟方法模拟典型工况下混流式水轮机内部流场。
基于三维全流道非定常湍流模拟来探索尾水管涡带的可视化、预测尾水管涡带的频率及尾水管涡带引起的低频压力脉动的预测分析。
探讨尾水管压力脉动中转轮流出的旋回水流与尾水管的相互干涉作用,以及尾水管涡带形成与转轮叶片几何形状及运行工况的关系。
根据尾水管中非定常湍流模拟计算结果提取压力的时域信号,通过FFT进行频域分析来分析尾水管中的典型工况下压力脉动特点。
本文探索通过基于混流式水轮机进行全流道定常和非定常湍流数值模拟来预测分析尾水管涡带及其引起的压力脉动,能够较真实地反映不同工况下尾水管涡带及其引起的压力脉动的特征,为在水力设计阶段能有效预测所设计水轮机的尾水管涡带引起的压力脉动奠定一定理论基础和尽可能扩大无涡区的运行范围提供一条基本可行的技术途径。