應對全球不斷增長的電力消費和降低化石燃料資源的溫室氣體排放的要求,正在推動對于可再生能源技術的需求。與風能和太陽能一樣,利用世界上潮汐流、洋流和河流中存在的巨大動能是最有前景的可再生能源之一。潮汐流和洋流的可預測性意味著水下發電站可以進行具有恒速發電能力的基本載荷電力供應。與其它不可預測或間歇性可再生能源方案相比,這能夠提供顯著的優勢。上一代的海洋能發電機采用帶機匣的葉輪結構,只在傳動軸上支撐。但是在葉片上產生的應力會導致故障產生,探索得出的解決方案是使用昂貴的材料。
圖1 船舶發電機的CAD模型
發明家Michael Urch的設計通過把轉子葉片的外緣連接到機匣上,避免了故障問題。旋轉機匣與轉子相連,同時結合一個固定機匣用于擴大有效流動面積,與開放式渦輪相比提供了優異的導流作用。該設計提升了效率和功率輸出。內部的環形槽口能幫助轉子下游機匣部分(此時機匣起著擴壓器的作用)保持水流附著在壁面上。通過避免流動分離,阻力減小、發電能力增大。渦輪進水處的靜子能給水流造成預旋,讓轉子產生更大功率。Gilmore Engineers受聘評估這一概念,以加快設計評估和設計優化。工程師采用的是ANSYS計算流體動力學(CFD)仿真。與標準的構建測試方法相比,這樣可以顯著改善結果,大幅縮短開發時間。
試錯法
Urch基本上是在一張餐巾紙上完成這一獨特設計的,但他認識到十分有必要在進入下一步之前優化設計,驗證概念并估算它能夠產生多少電力。傳統方法需要構建一系列原型來評估不同機匣和葉片設計的性能。工程師需要在水流設備中設定操作,開展一系列測試。在測試的過程中只能測量少數幾個離散點的流量和壓力,限制了從每次測試中能夠獲得的數據。實驗設置的復雜性和獲得數據信息的有限性嚴重阻礙了開發過程,需要大約一年的時間才能完成優化設計的迭代工作。
仿真方法
一家名為Elemental Energy Technologies的公司成立了,其將上述設計概念轉變成商業化產品,即所謂的SeaUrchin海洋能發電機。該公司聘請工程咨詢公司Gilmore Engineers使用仿真技術優化這一高難度設計。工程師需要精確地仿真水流從進水口到出水口的邊界層以發現任何水流分離的趨勢,所以機匣的設計較為復雜。流動分離對渦輪性能有顯著的影響。邊界層中水流流動結構的復雜性需要使用精細網格來求解這個區域的湍流。另一個挑戰是把葉片穿過水流的運動納入仿真范圍。
圖2 CFD結果顯示的是沿流速流線在發電機表面分布的壓力
一種分析渦輪的方法是使用全360度瞬態仿真來模擬穿過水流的葉片運動情況。對邊界層上的湍流使用雷諾平均方程(RANS)湍流模型進行建模。使用這種復雜性的模型耗用時間基本與每次迭代使用構建測試方法的時間持平。但是該模型提供的信息量遠遠多于物理測試,能夠包含計算域中任意點的流速和壓力,因此工程師估計他們通過這種方法用三個月時間就能完成設計優化。
旋轉模型和湍流模型是解決方案的關鍵
Gilmore的工程師尋求一種能加速完成設計優化的方法。他們選擇了ANSYS CFX CFD軟件,因為該軟件為旋轉機械的精確、可靠和高效建模提供了模型和基礎設施。由于該海洋能發電機具有旋轉對稱性,他們使用五度周期模型來節省計算資源。為表達葉片,他們從利用多孔介質域帶走水流能量的簡化模型開始仿真。該模型有10萬到20萬個單元。工程師使用剪切應力輸運(SST)湍流模型。這種模型和k-ε模型一樣簡單,但具有高得多的精度,尤其是對分離流而言,能在各種類型的流動和近壁網格條件下求解。
圖3 SeaUrchin流動發電機的原型
該模型即使在桌面個人計算機上的求解速度也很快,這正是工程師當時使用的計算機。工程師在一個星期時間內完成了大約30種尺寸和形狀的機匣仿真,重點是擴壓器或引流管區域,以找到既能提供最低壓力又能保持水流附著在壁面的設計。隨后通過改變尺寸、形狀和槽口數量,并將生產成本納入考慮范圍,對性能最佳的外形進行了進一步的分析。在這些迭代的過程中,他們把渦輪的膨脹比增大了25%。
通過迭代獲得精心優化的設計
在機匣優化完成后,工程師在旋轉參考坐標系中求解葉片,然后使用凍結的轉子模型把旋轉組件與固定組件連接起來。工程師根據對每一個旋轉角上旋轉組件周圍的準穩態流的推測,進行穩態模式下的計算。此時模型規模已增加到大約1000萬個單元。工程師首先仿真早期物理原型,以驗證仿真模型。該物理原型以0.46的功率系數(Cp)產生1484瓦的電力。Cp是產生的電力與水中蘊含的總能量之比。在本例中,仿真模型預計的發電能力為1600瓦,Cp為0.50。鑒于精確匹配物理測試設置的難度,這一結果與實驗結果極為吻合。
圖4 沿該機匣設計分布的湍流動能圖顯示了水流與擴散器分離。低效率發電(左)與高效率發電(右)
隨后工程師使用經優化的機匣設計又運行了十次關于葉片的迭代工作。與初始設計相比,渦輪產生的扭矩量增加了15%。經CFD優化的設計Cp達到1.22,發電能力達到3892瓦,較初始設計提升近150%。Cp值超過1.0是因為該計算以進水口面積為基礎,而出水口面積幾乎是進水口的四倍大。完整的設計優化過程用時大約兩個星期,相當于使用構建測試法優化設計用時的4%,使用傳統CFD方法的25%。
SeaUrchin近期在澳大利亞工程師協會紐卡斯爾分會和澳大利亞杰出人士獎共同贊助的年度杰出工程獎評比中榮獲第一。
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本文標題:運用仿真技術優化海洋能發電機的設計