摘要：

为了解决灌溉管道自动化监测系统的供电问题,设计了一种小型管道水力发电系统,利用管道内高速水流带动水轮机转动进行发电,并将电流存储于蓄电池中,以延长设备工作时间并减少更换电池所需的人工成本。根据传统水轮机叶片结构及管道水流的特点,设计了在管径100 mm,流速1.5 m/s,管道压力200 kPa条件下运行的叶轮结构。利用SOLIDWORKS软件建立了同结构水轮机三维模型,更改水机叶片数量与转角并导入流体仿真软件FLUENT中采用动网格模型进行仿真实验。据此,计算不同结构下的叶轮转速,后利用此转速进行水轮机稳定运行计算,并进行性能预测与内部流场分析。通过计算对比,选取6叶片,转角53°的叶轮模型作为最优模型。此时,水轮机转速可达580 r/min,输出功率35 W,水头损失0.356 m,输出效率82.5%。研究结果表明,此类小型水力发电系统水轮机可利用管道水流提供能量,输出能量可满足小型管道自动监测系统的充电需求。

关键词：

小型水力发电系统; FLUENT; 水轮机; 性能预测;

作者简介：

刘琪(1992—),男,硕士研究生,主要从事水利信息化研究。E-mail:601703302@qq.com;

*常晓敏(1977—),女,副教授,博士,主要从事水信息检测的研究。E-mail:305643669@qq.com;

基金：

国家自然科学基金青年基金项目(41606220);

引用：

刘琪，常晓敏，窦银科．基于 FLUENT 的管道小型发电系统水轮机的研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 10) : 81-87.

LIU Qi，CHANG Xiaomin，DOU Yinke． FLUENT-based study on hydroturbine for minitype pipeline hydropower generation system［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 10) : 81-87.

0 引言

农业水利一直是关乎国家基础民生经济的重要问题,管道灌溉输水是合理分配与利用水资源的主要措施。为了提高对灌区用水输配送的管理,需要在用水管道沿线安装自动化监测设备，用以监测水况。为了保证系统的长期稳定运行,首先需要解决的是系统的电子器件及控制器的供电问题。如果长期使用传统蓄电池,普通蓄电池供电量有限,电压不足会影响系统运行,而频繁更换会造成更大的人力资源浪费。其他新能源发电方式如风能、太阳能发电,在灌区大量安装繁琐,人为破坏难以防护,成本消耗过高。使用微型管道水轮发电机,可以利用灌区灌溉管道内部高速运动的水流推动小型水轮机进行发电,存储电能并将电能存储于蓄电池,解决沿线设备供电问题。

对于小型水轮机的研究,取得了丰硕的成果。熊朝坤等根据工程实际的需要,使用传统方法与数值模拟相结合,设计一种输出功率100W的微型管道式涡轮机并进行优化;上海自来水公司提出了新型自发式智能水表,利用自来水管水流给水表端的水量测量与数据传输设备进行供电,从而实现智能水表实时监控与数据传输的问题;段巍钊、肖腾结合前人的经验,利用ANSYS软件对叶轮模型进行模拟仿真,并进行了控制主电路设计,辅以发电控制算法,设计出了可输出稳定电压的微型管道发电机模型。朱占春等类比风力发电机,对叶片升阻比进行了对比并考虑应用于垂直轴发电机,表明合适的叶片结构可以提高发电效率。研究现阶段关于微型管道水流发电系统研究多数针对于高水压、高流速的自来水供水管道沿线以及家用自来水管,而针对中低压管道发电机研究较少。在使用FLUENT软件研究水轮机模型时,通常先确定叶轮额定功率后设计固定转速求解内部流场,从而得出输出转矩与功率情况并分析内部流场。但是微型管道空间狭小,高速水流流态复杂,水流冲击叶轮后通常难以确定转动情况。而对于给定的管道边界,不同的叶轮结构从水流中获取的管道能量也有差别,转速情况也不尽相同。因此,叶轮在进行稳态求解时是否能达到给定的高转速还是个未知数。

本文针对中低压灌溉输水管道,结合固定转速求解水轮机内部场的方法[9],首先使用FLUENT动网格对水轮机内部流场进行仿真分析,记录计算得出的叶轮转速。使用动网格模型可在确定叶片结构下,利用UDF文件确定叶轮旋转形式,计算给定边界条件下水流冲击叶轮后叶轮的转动情况。在计算稳定后,读取叶轮转速。在研究叶轮稳定转动时,可采用动网格计算出的转速,而得出不同结构的水轮机叶片的能量输出情况。同时分析管道内部流场,以及对结构进行合理性分析,预测水轮机的性能同时进行效率估算。此种方法通过动网格仿真实验,先计算出设计管道叶轮在确定边界条件下的实际转速,后利用此转速进行稳态计算,得出稳定转动下的叶轮能量输出情况。通过对比不同模型下的能量输出情况,选取最优叶轮模型,为后续整体发电系统的设计提供依据。

1 管道水轮机的原理与分析

1.1 工作原理

水资源是一种清洁、无污染、高效的能源,并被逐渐开发并转化为机械能、电能等多种形式。管道水流具有流速大,水压高等特点,可驱动叶轮高速旋转。因此,管道小型水流发电机利用管道高速水流的动能,冲击水轮机驱动叶轮旋转,叶轮后接转动轴与加速装置连接发电机使其发电,发电机发出的电流通过整流电路与充电控制电路,将电能储存到蓄电池中,最后蓄电池给传感器与控制器供电,从实现管道水流动能向电能的转化。

1.2 相关参数确定

本文主要研究水轮机的转轮结构,简化模型,其他过流部件只考虑输水管道。农业灌溉输水管道有多种结构,而塑料管造价低,且内壁光滑,水头损失小,更贴近仿真模型。一般输水干管常取100mm管径。管道灌溉分为低压、中压、高压三种类型。考虑此类管道可承受内压较低,仿真压力考虑中低压实验。本文取管径D=100 mm,流速1.5 m/s,管压200 kPa。

转轮叶片特性不仅与输出能力有关,对结构强度也有影响。本文水轮机叶片结构参照一般冲击式水轮机结构设计,将叶片进行比例缩小,辅以主轴进行实验。由于管道尺寸小,考虑叶轮输出能力与对管道过流能力影响,经过多次仿真对比,取水轮转轮轴径D=5 mm,水轮叶片叶长L=40 mm。

水轮机在叶形固定的情况下,影响水轮机效率的主要为叶片转角以及叶片数量,因此,本文通过改变叶片转角与叶片数量来进行仿真对比试验,选出最优的叶片模型。由于此种管道叶轮研究较少,参考数值不足,因此在进行转速计算时,选取较大差值的叶片转角进行比较。本文拟取叶片倾角为45°、50°、55°、60°,叶片数量为4至10片进行仿真对比后根据转速计算情况,取合适转角区间进行稳态计算。

1.3 设计方法

本文结合小型管道水轮机的工作特点,并考虑加工制作以及成本的因素,参照传统冲击式水轮机叶片对叶片结构进行叶型设计,调整叶片转角,改变叶片数量建立模型。首先使用SOLIDWORKS软件建立叶轮模型,使用内部的质量属性进行估算,设置模型材料为普通钢材,其密度为7 800 kg/m3。记录模型的质量,重心坐标,惯性张量,作为后期仿真的数据基础。后使用FLUENT前处理软件进行流体域设立、边界区域命名以及网格划分,后导入FLUENT进行仿真计算。最后通过对比分析选取最优叶轮模型。

2 FLUENT仿真与计算

FLUENT是现在CFD仿真最为全面的软件包之一,也是现在最主流的流体仿真软件。在流体计算中,动网格技术主要用来模拟计算区域变化的问题,模型可以用于计算模拟流体区域边界随时间改变的问题。在水流带动水轮机运动的旋转问题中,利用瞬态动网格进行计算并使用6 DOF计算方法,计算得出旋转叶轮在水流冲击下的转动情况。而后利用FLUENT稳态计算叶轮在稳定转动情况下,读取计算数据并计算叶轮的能量输出情况。

2.1 计算模型的选择

在计算流体仿真时,主要的湍流模型有标准k-ε模型、RNG k-ε 模型、Realizable k-ε 模型以及k-ω 模型。标准k-ε模型为积分到壁面的不可压缩/可压缩湍流的两方程黏性模式,是现在最常用也是应用最广泛的涡粘性模型。RNG k-ε模型与标准k-ε模型相类似,但是在计算功能上强于标准k-ε模型,且计算模型考虑了旋转效应,更适合强旋转流动的计算。但是此种计算模型对于高平均切变率会出现非物理结果。 Realizable k-ε 模型与标准k-ε模型的主要区别是前者采用的新的湍流黏度公式,可以在计算更接近实际情况。但是这种模型在计算时,会同时存在旋转和静止区域,如在计算多重参考系、旋转滑动网格时,会影响计算的顺利进行。k-ω 模型也是二方程模型。标准的k-ω模型中包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散,因此适用于尾迹流动计算、混合层计算、射流计算、以及受到壁面限制的流动计算和自由剪切流计算。

由于管道水轮机空间狭小,高速水流冲击水轮机带动叶轮旋转,空间内水体流态复杂,需要使用精确的算法模型;且后续计算使用了UDF动网格模型,网格重建过程中计算量大,使用复杂算法模型会大大增加计算时间。综合考虑计算时间以精度,本文使用RNG k-ε模型进行仿计算。

2.2 动网格模型的设置

在FLUENT中,网格更新软件自动根据设置完成。使用动网格模型时,需要先初始化网格、边界的运动方式,并根据需要指定的运动区域。在定义边界运动方式时,利用Profile文件或UDF对边界的运动方式进行指定。本文采用Smoothing与Remeshing两个网格更新办法。在Smoothing选项中,根据实际情况,调整弹簧常数因子为0.65,同时取所有网格类型都使用弹簧光顺模型,以保证网格重建的顺利进行。Remeshing网格重建方法主要针对运动边界位移过大,采用光顺方法出现的网格质量下降以及负体积网格的问题。通过此方法可以重新划分畸变率过大或者尺寸变化过于激烈的网格,使得计算顺利进行。

在FLUENT中指定边界的运动的主要有两种方式:使用瞬态Profile文件或UDF。Profile文件可以指定一些简单的运动形式,对于较为复杂的函数型运动,需要使用UDF编程进行描述。本文使用UDF文件对水轮机叶片的运动形式进行控制。

在定义水轮机的运动方式时,使用SIX DOF形式,即根据模型在坐标系中的位置以及运动方式,定义水轮的在三个方向上的平移与旋转形式。本文根据叶轮转动实际情况,固定叶轮在三个坐标轴上的位置,设置叶轮有叶轮转角单向旋转方向,同时输入模型的质量属性。导入文件后UDF文件后,在动网格设置区域输入叶轮重心坐标,确定叶轮旋转方式。在计算结束后,可在此设置中观察叶轮转速大小。

2.3 FLUENT计算

将前处理后的文件导入FLUENT中,准备进行仿真实验。在仿真设置中,取入口流速为1.5 m/s,出口水压为200 kPa。选取计算算法为SIMPLE算法,同时监视叶轮转矩,进出口压力,管内流场与叶轮转动情况。初始化后,动网格计算选取Time Step Size为0.0001,Number of Iterations设置为200 000;稳态计算选取迭代次数200000次,然后开始计算。

3 结果分析

3.1 瞬态计算结果与分析

通过FLUENT进行瞬态计算得到稳定的计算结果,记录叶轮转速并观察流场进行分析。叶片数与转速曲线图如图1所示。由图1可知,随着叶片转角的增加,叶轮转速也会增加,叶轮转角为45°时,叶轮转速约为450 r/min,当叶轮转角为60°时,叶轮转速约为700 r/min;当转角相同时,叶片数量增加,叶轮转速基本不变,维持于同一转速小幅波动,但是变化范围不大。叶片转角与转速曲线图如图2所示,当叶轮叶片数相同时,随着叶片转角增加时,叶轮转速呈线性变化。由此可推断叶轮转角在45°～60°区间,各转角下叶轮转速。

图1 叶片数与转速曲线

图2 叶片转角与转速曲线

流场速度云图如图3所示,水流迹线图如图4所示。由图可知,管道内高速水流在冲击叶片后,由于叶片转角以及叶片表面的曲度,叶片表面各方向受力不均,叶轮旋转在叶轮的旋转作用下,叶轮尾端有一片低转速区域,流速极低,在迹线图可明显看到此处有涡流产生。叶轮两侧水流高速运动,流速很大,接近2 m/s,由于流速的差异,且叶轮转体内部有较大的不均匀流速区,符合实际情况。

图3 流场速度云图

图4 流场迹线示意

3.2 水轮机工作参数计算

在紊流场数值仿真模拟的基础上,可以计算出水轮机的水头损失H,出力N,以及效率η等,从而预测该水轮机的水力性能

水轮机的工作H水头为

式中,z1、z2分别为水轮机转轮的进出口相对位置高度(m);P1、P2分别为进出口的相对压力;ρ为水的密度,取1 kg/m3;v1、v2分别为进出口速度(m/s);g为重力加速度,取9.81 m/s2,α为断面动能不均匀系数。

根据仿真结果,可以计算水轮机转轮进出口的平均总压与平均速度。在不考虑其他能量损失的情况下,管道进出口管径相同且在同一水平面上,位置差能与动能差能为0,因此水轮机转轮的水损失头H为

式中,Pin进口总压为(Pa);Pout出口总压为(Pa);M为水轮机主轴输出的旋转力矩(N·m);n为水轮机转速(r/min)。

根据仿真结果,可计算得出水轮机的输出功率与效率。

3.3 稳态仿真结果分析

利用动网格的仿真转速数据,计算同种叶形下改变的叶片转角θ与数量k,并根据水轮机计算公式,得出如下结果。

叶片数与水头损失曲线图如图5所示。由图5可知,在同一叶型下与相同叶片转角下,随着叶片数量的增加,流场内水头损失也随之增加。当叶片数为4～6片时,水头损失随着叶片数量的增加而大幅增加;当叶片数大于4片时,随着叶片数的增加,水头损失的增量较小,趋于平稳,在7、9叶片出现会水头损失减小的情况。整体上,水头损失呈增加趋势,在实验范围内水头损失不超过0.5 m。

图5 叶片数与水头损失曲线

水轮机叶片数与输出功率曲线图如图6所示。由图6可以看出,叶轮输出功率趋势与水头损失趋势基本相同,整体功率输出为增长趋势,4叶片以下的功率增长速率更快。整体系统在此输出区间范围内,输出功率为20 W至45 W,整体功率输出在转角52°时有一个明显增长。当叶片数大于8片时,输出功率趋于平稳或小幅下降。

图6 水轮机叶片数与输出功率曲线

水轮机叶片数与输出效率曲线图如图7所示。对于相同叶片转角,当叶片数为5时效率最高,50°转角5叶片是输出功率最高,可达95%。其他叶轮结构输出效率都小于90%,叶片数为5、7时都为同转角下输出较高点。整体上来看,当叶片数增加时,整个系统的输出效率减小。

图7 水轮机叶片数与输出效率

通过对比系统的输出功率与效率,当叶片转角50°,叶片数为5时,系统输出效率最高但是输出功率仅为20 W,不满足设计要求。当叶轮结构为6叶片,转角为53°时,输出功率35 W,效率为82.5%,同时水头损失约为0.356 m。此结构下叶轮尾部管道截面压力云图如图8所示。分别取叶轮尾部1 mm、10 mm、50 mm、100 mm处观察管道压力。图8(a)为尾部1 mm出压力图,在此处,管道中心有大片低压区,管道内部压力紊乱;在5 mm出,压力缓解,单依然紊乱,如图8(b)所示;随着尾部距离的增加,内部压力分布也渐渐平缓,在50 mm处已相对稳定,如图8(c)所示,但还有小范围的压力波动。100 mm处压力云图如图8(c)所示,此时管道截面整体压力稳定,水流趋于平稳。由图可知,管道水流在叶轮尾端100 mm处达到平稳流动状态,旋转紊流影响范围短,不会对管道后续流动产生大的干扰。

图8 叶轮尾部压力分布图

综上所述,通过观察计算功率与效率,同时考虑设计管道系统的水流损失,选取叶轮转角53°,叶片数为6片,此时系统输出功率35 W,效率为82.5%,同时水头损失约为0.356 m,满足设计要求。

4 结论

本文在限定的条件下,利用FLUENT瞬态与稳态相结合,重点研究了100mm管径微型管道水轮机转轮的设计。得出以下结论:

(1)本文在确定管道流量与管压下,使用瞬态动网格计算水轮机转速,此方法使用数值模拟的方法,计算了叶轮实际转速,避免了计算稳定转动情况下的转速设置不合理问题。计算得出同叶型不同转角的水轮机的转速不同。随着叶轮转角的增加,叶轮转速增加,本文设计叶轮结构在60°转角可达转速700 r/min,随着叶片转角的增加,转速呈线性变化;而当叶片转角固定时,随着叶片数量的增加,叶轮转速基本保持稳定,说明此结构叶轮转速主要由叶片转角决定。

(2)利用计算得出的叶轮转速,计算系统在稳定转动下的功率发出情况,可知随着叶片转角的增加,叶轮水头损失与输出功率也呈随之增加,但是整体系统水头损失不高;同时固定转角下小叶片数增量对水头损失和输出功率影响更大,当叶片数增加,叶片覆盖面积增加,此时水流对叶轮冲击由于叶片数量的影响减小。同时,叶片较少时,系统输出效率相对更高。综合考虑水头损失、输出功率以及效率,本文最后选取叶片转角53°,叶片数为6片作为最优结构,此时系统输出功率35 W,效率为82.5%,同时水头损失约为0.356 m,满足供电需求。此方案为后续的发电与控制系统的研制提供了理论基础,节约了研发成本与时间。

(3)由计算结果可知,管道内压力各处不尽相同,管内压力在水轮机尾端100 mm处已经稳定,但是尾端还有很大一部分区域易形成空蚀,同时数值模拟过程中只计算了叶轮转动情况下管道叶轮出力的情况,并没有考虑增加传动轴等其他连接设备对内部流场的影响。因此在进行具体叶片设计时,可通过加大叶片厚度、使用高性能材料来加大叶片强度,减小空蚀空化对叶片造成的影响,同时在后续整体发电系统设计过程中,需要不断优化系统结构,以达到最优设计目标。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

基于FLUENT的管道小型发电系统水轮机的研究