导流涵道与叶轮相互作用对垂直轴涡轮机能量采集性能的影响.pdf
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1、 年 月 第 卷 第 期 宋科导流涵道与叶轮相互作用对垂直轴涡轮机能量采集性能的影响宋科,杨邦成(昆明学院机电工程学院,云南 昆明 ;昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明 )收稿日期:;修回日期:;网络出版时间:网络出版地址:基金项目:云南省先进装备智能制造技术重点实验室开放基金资助项目();云南省基础研究专项();昆明学院人才引进项目()第一作者简介:宋科(),男,云南昆明人,讲师,博士(通信作者,),主要从事新能源流体机械研究第二作者简介:杨邦成(),男,四川成都人,教授(),主要从事机械及材料性能研究摘要:为了评估垂直轴导流涵道涡轮机中导流涵道与叶轮之间的相互作用效应对其能量采集性能的影
2、响,通过引入诱导因子的分解形式表达式并采用计算流体力学方法,分别对不同拱度及攻角的导流涵道、裸涡轮机和所对应的导流涵道涡轮机进行了数值研究 结果表明:导流涵道涡轮机相比裸涡轮机具有更高的输出功率,且在一定范围内,随着导流涵道拱度及攻角的增大,系统的输出功率将得到进一步的提升 此外,导流涵道与叶轮之间的相互作用效应与导流涵道涡轮机的能量采集性能密切相关,所对应的相互作用诱导因子在一定程度上量化了该相互作用并且能很好地衡量系统的能量采集性能的优劣 研究还发现,当系统所对应的的值越小时,导流涵道与叶轮的相互作用越强,同时系统的能量采集性能越好 研究结果为垂直轴导流涵道涡轮机的优化设计及内在相互作用分
3、析提供了一定的参考依据关键词:垂直轴导流涵道涡轮机;诱导因子;相互作用效应;能量采集性能;计算流体力学中图分类号:文献标志码:文章编号:():宋科,杨邦成 导流涵道与叶轮相互作用对垂直轴涡轮机能量采集性能的影响 排灌机械工程学报,():,(),():(),(,;,):,第 期宋科,等导流涵道与叶轮相互作用对垂直轴涡轮机能量采集性能的影响 ,:;面对日益严重的环境问题和化石能源的不断消耗,开发可再生能源已成为当下的热点 多年来,水能作为一种可预测性强、储备丰富、输出稳定的清洁能源一直备受世界各国的重视 水动力涡轮机作为水能转换装置的一种形式,具有极大的应用价值,也被认为是目前最有前景的开采技术
4、水动力涡轮机按照运行方式主要可分为水平轴和垂直轴 种 其中,垂直轴涡轮机具有安装简便、设计制造成本低等优点,特别是在一些具有明渠、溪流等水资源丰富的偏远地区得到了广泛应用 此外,相比于水平轴涡轮机,垂直轴涡轮机对偏流的敏感性很低、安装适应性较强、产生的噪声也较小 尽管如此,垂直轴涡轮机也存在着发电效率较低的不足 为了弥补这一不足和提升垂直轴涡轮机的行业竞争力,在涡轮机叶轮两侧加装利用文丘里效应的导流涵道以提升涡轮机的输出功率被证明是一种直接有效的方式 ,此举也得到了国内外学者的广泛关注 郑美云等 和李良乾等 设计并分析了多种垂直轴导流涵道的水动力性能,并从中得到了最优线型设计 刘清照等 研究了
5、导流涵道安装角度对垂直轴涡轮机输出功率及叶轮载荷的影响 等 对采用大涡模拟对并列式垂直轴导流涵道涡轮机阵列的流场特性进行了分析 等 对一种垂直轴导流涵道涡轮机在渠道内的水动力性能进行了研究不少国内外的学者对垂直轴导流涵道涡轮机的水动力性能及获能提速机理等问题展开了相关研究,也取得了较为丰富的成果 然而,现阶段对导流涵道与叶轮之间的相互作用如何影响涡轮机的能量采集性能不够明确,此外,也缺少一种衡量该相互作用关系的定量分析参考标准 为此,文中通过引入诱导因子的分解形式表达式并采用计算流体力学方法对具有不同拱度及攻角的导流涵道涡轮机各部件进行数值分析,探讨相互作用效应对系统能量采集性能的影响 以期能
6、更好地了解垂直轴导流涵道涡轮机各部件之间的内在作用效益并为其优化设计提供一定的参考依据 模型与计算方法 水动力学参数功率系数()、叶尖速比()和密实度()是衡量垂直轴涡轮机的性能的重要指标,其量纲一化形式分别为 ,(),(),()式中:为涡轮机的输出功率,;为叶轮旋转扫掠面积,;为来流流速,;为涡轮机转速,;为涡轮机直径,;为涡轮机叶片数量;为叶片弦长,涡轮机模型文中的计算模型由 部分组成,分别为单独的裸涡轮机(叶轮)、具有不同拱度及攻角的导流涵道和两者组合而成的导流涵道涡轮机 其中裸涡轮机来源于经过水动力试验测试的 等 设计的三叶垂直轴涡轮机,其中叶片安装位置为 弦长处,具体参数:叶片翼型为
7、 ,叶轮直径 为 ,叶片展长 为 ,叶片弦长 为 ,叶片数 为 ,密实度 为 ,来流速度 为 导流涵道的截面形状是基于 翼型进行设计,定义拱度 为最大弯度除以最大厚度,初始的 拱度为 ,即 在此基础上可得到 ,和 的变 翼型截面 同时定义攻角 为导流涵道绕喉部向两外侧旋转的角度将具有不同拱度及攻角的导流涵道与裸涡轮机进行组合得到相应的导流涵道涡轮机,其中导 排灌机械工程学报第 卷流涵道轴向长度为 ,展长与裸涡轮机保持一致,裸涡轮机直径处与导流涵道的喉部保持共面关系,导流涵道喉部处的过流断面的横向长度设置为 ,其三维示意图如图 所示图 导流涵道涡轮机三维示意图 相互作用计算方法参考广义制动盘理论
8、 ,并引入诱导因子的分解形式表达式,则导流涵道涡轮机各组件的相互作用关系计算式为,()式中:为导流涵道涡轮机的诱导因子;为裸涡轮机(叶轮)的诱导因子;为导流涵道诱导因子;为导流涵道与叶轮的相互作用诱导因子诱导因子 的计算方法为,()式中:为叶轮直径处(对应于导流涵道的喉部断面)的过流断面的平均流速;为来流流速,之后分别对各工况下的 ,和 进行计算,可以得到相应的 计算域与网格划分计算域采用矩形形状,并将其划分为旋转域和静止域,其中旋转域为包裹住叶轮的圆柱体,如图 所示 入口设置为速度入口,出口设置为自由流出,外边界条件为自由滑移边界,叶轮及导流涵道为固壁面无滑移壁面条件 涡轮机中心距速度入口的
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