應(yīng)對(duì)全球不斷增長(zhǎng)的電力消費(fèi)和降低化石燃料資源的溫室氣體排放的要求,正在推動(dòng)對(duì)于可再生能源技術(shù)的需求。與風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣,利用世界上潮汐流、洋流和河流中存在的巨大動(dòng)能是最有前景的可再生能源之一。潮汐流和洋流的可預(yù)測(cè)性意味著水下發(fā)電站可以進(jìn)行具有恒速發(fā)電能力的基本載荷電力供應(yīng)。與其它不可預(yù)測(cè)或間歇性可再生能源方案相比,這能夠提供顯著的優(yōu)勢(shì)。上一代的海洋能發(fā)電機(jī)采用帶機(jī)匣的葉輪結(jié)構(gòu),只在傳動(dòng)軸上支撐。但是在葉片上產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致故障產(chǎn)生,探索得出的解決方案是使用昂貴的材料。
圖1 船舶發(fā)電機(jī)的CAD模型
發(fā)明家Michael Urch的設(shè)計(jì)通過(guò)把轉(zhuǎn)子葉片的外緣連接到機(jī)匣上,避免了故障問(wèn)題。旋轉(zhuǎn)機(jī)匣與轉(zhuǎn)子相連,同時(shí)結(jié)合一個(gè)固定機(jī)匣用于擴(kuò)大有效流動(dòng)面積,與開(kāi)放式渦輪相比提供了優(yōu)異的導(dǎo)流作用。該設(shè)計(jì)提升了效率和功率輸出。內(nèi)部的環(huán)形槽口能幫助轉(zhuǎn)子下游機(jī)匣部分(此時(shí)機(jī)匣起著擴(kuò)壓器的作用)保持水流附著在壁面上。通過(guò)避免流動(dòng)分離,阻力減小、發(fā)電能力增大。渦輪進(jìn)水處的靜子能給水流造成預(yù)旋,讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更大功率。Gilmore Engineers受聘評(píng)估這一概念,以加快設(shè)計(jì)評(píng)估和設(shè)計(jì)優(yōu)化。工程師采用的是ANSYS計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真。與標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建測(cè)試方法相比,這樣可以顯著改善結(jié)果,大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。
試錯(cuò)法
Urch基本上是在一張餐巾紙上完成這一獨(dú)特設(shè)計(jì)的,但他認(rèn)識(shí)到十分有必要在進(jìn)入下一步之前優(yōu)化設(shè)計(jì),驗(yàn)證概念并估算它能夠產(chǎn)生多少電力。傳統(tǒng)方法需要構(gòu)建一系列原型來(lái)評(píng)估不同機(jī)匣和葉片設(shè)計(jì)的性能。工程師需要在水流設(shè)備中設(shè)定操作,開(kāi)展一系列測(cè)試。在測(cè)試的過(guò)程中只能測(cè)量少數(shù)幾個(gè)離散點(diǎn)的流量和壓力,限制了從每次測(cè)試中能夠獲得的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的復(fù)雜性和獲得數(shù)據(jù)信息的有限性嚴(yán)重阻礙了開(kāi)發(fā)過(guò)程,需要大約一年的時(shí)間才能完成優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)變成商業(yè)化產(chǎn)品,即所謂的SeaUrchin海洋能發(fā)電機(jī)。該公司聘請(qǐng)工程咨詢公司Gilmore Engineers使用仿真技術(shù)優(yōu)化這一高難度設(shè)計(jì)。工程師需要精確地仿真水流從進(jìn)水口到出水口的邊界層以發(fā)現(xiàn)任何水流分離的趨勢(shì),所以機(jī)匣的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。流動(dòng)分離對(duì)渦輪性能有顯著的影響。邊界層中水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性需要使用精細(xì)網(wǎng)格來(lái)求解這個(gè)區(qū)域的湍流。另一個(gè)挑戰(zhàn)是把葉片穿過(guò)水流的運(yùn)動(dòng)納入仿真范圍。
圖2 CFD結(jié)果顯示的是沿流速流線在發(fā)電機(jī)表面分布的壓力
一種分析渦輪的方法是使用全360度瞬態(tài)仿真來(lái)模擬穿過(guò)水流的葉片運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)邊界層上的湍流使用雷諾平均方程(RANS)湍流模型進(jìn)行建模。使用這種復(fù)雜性的模型耗用時(shí)間基本與每次迭代使用構(gòu)建測(cè)試方法的時(shí)間持平。但是該模型提供的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于物理測(cè)試,能夠包含計(jì)算域中任意點(diǎn)的流速和壓力,因此工程師估計(jì)他們通過(guò)這種方法用三個(gè)月時(shí)間就能完成設(shè)計(jì)優(yōu)化。
旋轉(zhuǎn)模型和湍流模型是解決方案的關(guān)鍵
Gilmore的工程師尋求一種能加速完成設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。他們選擇了ANSYS CFX CFD軟件,因?yàn)樵撥浖䴙樾D(zhuǎn)機(jī)械的精確、可靠和高效建模提供了模型和基礎(chǔ)設(shè)施。由于該海洋能發(fā)電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,他們使用五度周期模型來(lái)節(jié)省計(jì)算資源。為表達(dá)葉片,他們從利用多孔介質(zhì)域帶走水流能量的簡(jiǎn)化模型開(kāi)始仿真。該模型有10萬(wàn)到20萬(wàn)個(gè)單元。工程師使用剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)湍流模型。這種模型和k-ε模型一樣簡(jiǎn)單,但具有高得多的精度,尤其是對(duì)分離流而言,能在各種類型的流動(dòng)和近壁網(wǎng)格條件下求解。
圖3 SeaUrchin流動(dòng)發(fā)電機(jī)的原型
該模型即使在桌面?zhèn)人計(jì)算機(jī)上的求解速度也很快,這正是工程師當(dāng)時(shí)使用的計(jì)算機(jī)。工程師在一個(gè)星期時(shí)間內(nèi)完成了大約30種尺寸和形狀的機(jī)匣仿真,重點(diǎn)是擴(kuò)壓器或引流管區(qū)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(shè)計(jì)。隨后通過(guò)改變尺寸、形狀和槽口數(shù)量,并將生產(chǎn)成本納入考慮范圍,對(duì)性能最佳的外形進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。在這些迭代的過(guò)程中,他們把渦輪的膨脹比增大了25%。
通過(guò)迭代獲得精心優(yōu)化的設(shè)計(jì)
在機(jī)匣優(yōu)化完成后,工程師在旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中求解葉片,然后使用凍結(jié)的轉(zhuǎn)子模型把旋轉(zhuǎn)組件與固定組件連接起來(lái)。工程師根據(jù)對(duì)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)角上旋轉(zhuǎn)組件周圍的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流的推測(cè),進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模式下的計(jì)算。此時(shí)模型規(guī)模已增加到大約1000萬(wàn)個(gè)單元。工程師首先仿真早期物理原型,以驗(yàn)證仿真模型。該物理原型以0.46的功率系數(shù)(Cp)產(chǎn)生1484瓦的電力。Cp是產(chǎn)生的電力與水中蘊(yùn)含的總能量之比。在本例中,仿真模型預(yù)計(jì)的發(fā)電能力為1600瓦,Cp為0.50。鑒于精確匹配物理測(cè)試設(shè)置的難度,這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為吻合。
圖4 沿該機(jī)匣設(shè)計(jì)分布的湍流動(dòng)能圖顯示了水流與擴(kuò)散器分離。低效率發(fā)電(左)與高效率發(fā)電(右)
隨后工程師使用經(jīng)優(yōu)化的機(jī)匣設(shè)計(jì)又運(yùn)行了十次關(guān)于葉片的迭代工作。與初始設(shè)計(jì)相比,渦輪產(chǎn)生的扭矩量增加了15%。經(jīng)CFD優(yōu)化的設(shè)計(jì)Cp達(dá)到1.22,發(fā)電能力達(dá)到3892瓦,較初始設(shè)計(jì)提升近150%。Cp值超過(guò)1.0是因?yàn)樵撚?jì)算以進(jìn)水口面積為基礎(chǔ),而出水口面積幾乎是進(jìn)水口的四倍大。完整的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程用時(shí)大約兩個(gè)星期,相當(dāng)于使用構(gòu)建測(cè)試法優(yōu)化設(shè)計(jì)用時(shí)的4%,使用傳統(tǒng)CFD方法的25%。
SeaUrchin近期在澳大利亞工程師協(xié)會(huì)紐卡斯?fàn)柗謺?huì)和澳大利亞杰出人士獎(jiǎng)共同贊助的年度杰出工程獎(jiǎng)評(píng)比中榮獲第一。
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