應(yīng)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(shù)的需求。與風(fēng)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(yù)測性意味著水下發(fā)電站可以進行具有恒速發(fā)電能力的基本載荷電力供應(yīng)。與其它不可預(yù)測或間歇性可再生能源方案相比，這能夠提供顯著的優(yōu)勢。上一代的海洋能發(fā)電機采用帶機匣的葉輪結(jié)構(gòu)，只在傳動軸上支撐。但是在葉片上產(chǎn)生的應(yīng)力會導(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)電機的CAD模型

    發(fā)明家Michael Urch的設(shè)計通過把轉(zhuǎn)子葉片的外緣連接到機匣上，避免了故障問題。旋轉(zhuǎn)機匣與轉(zhuǎn)子相連，同時結(jié)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(yōu)異的導(dǎo)流作用。該設(shè)計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(fā)電能力增大。渦輪進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受聘評估這一概念，以加快設(shè)計評估和設(shè)計優(yōu)化。工程師采用的是ANSYS計算流體動力學(xué)（CFD）仿真。與標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建測試方法相比，這樣可以顯著改善結(jié)果，大幅縮短開發(fā)時間。

試錯法

    Urch基本上是在一張餐巾紙上完成這一獨特設(shè)計的，但他認(rèn)識到十分有必要在進入下一步之前優(yōu)化設(shè)計，驗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)建一系列原型來評估不同機匣和葉片設(shè)計的性能。工程師需要在水流設(shè)備中設(shè)定操作，開展一系列測試。在測試的過程中只能測量少數(shù)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(shù)據(jù)。實驗設(shè)置的復(fù)雜性和獲得數(shù)據(jù)信息的有限性嚴(yán)重阻礙了開發(fā)過程，需要大約一年的時間才能完成優(yōu)化設(shè)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(shè)計概念轉(zhuǎn)變成商業(yè)化產(chǎn)品，即所謂的SeaUrchin海洋能發(fā)電機。該公司聘請工程咨詢公司Gilmore Engineers使用仿真技術(shù)優(yōu)化這一高難度設(shè)計。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(fā)現(xiàn)任何水流分離的趨勢，所以機匣的設(shè)計較為復(fù)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性需要使用精細(xì)網(wǎng)格來求解這個區(qū)域的湍流。另一個挑戰(zhàn)是把葉片穿過水流的運動納入仿真范圍。

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(fù)雜性的模型耗用時間基本與每次迭代使用構(gòu)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(shè)計優(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)計優(yōu)化的方法。他們選擇了ANSYS CFX CFD軟件，因為該軟件為旋轉(zhuǎn)機械的精確、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)電機具有旋轉(zhuǎn)對稱性，他們使用五度周期模型來節(jié)省計算資源。為表達葉片，他們從利用多孔介質(zhì)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(yīng)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(wǎng)格條件下求解。

圖3 SeaUrchin流動發(fā)電機的原型

    該模型即使在桌面?zhèn)�人計算機上的求解速度也很快，這正是工程師當(dāng)時使用的計算機。工程師在一個星期時間內(nèi)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(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。隨后通過改變尺寸、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(yōu)化的設(shè)計

    在機匣優(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。工程師根據(jù)對每一個旋轉(zhuǎn)角上旋轉(zhuǎn)組件周圍的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流的推測，進行穩(wěn)態(tài)模式下的計算。此時模型規(guī)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(shù)（Cp）產(chǎn)生1484瓦的電力。Cp是產(chǎn)生的電力與水中蘊含的總能量之比。在本例中，仿真模型預(yù)計的發(fā)電能力為1600瓦，Cp為0.50。鑒于精確匹配物理測試設(shè)置的難度，這一結(jié)果與實驗結(jié)果極為吻合。

圖4 沿該機匣設(shè)計分布的湍流動能圖顯示了水流與擴散器分離。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)化的機匣設(shè)計又運行了十次關(guān)于葉片的迭代工作。與初始設(shè)計相比，渦輪產(chǎn)生的扭矩量增加了15%。經(jīng)CFD優(yōu)化的設(shè)計Cp達到1.22，發(fā)電能力達到3892瓦，較初始設(shè)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(chǔ)，而出水口面積幾乎是進水口的四倍大。完整的設(shè)計優(yōu)化過程用時大約兩個星期，相當(dāng)于使用構(gòu)建測試法優(yōu)化設(shè)計用時的4%，使用傳統(tǒng)CFD方法的25%。

    SeaUrchin近期在澳大利亞工程師協(xié)會紐卡斯?fàn)柗謺�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(biāo)題：運用仿真技術(shù)優(yōu)化海洋能發(fā)電機的設(shè)計

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