流场分离对潮流能涡轮水动力分析的影响

摘要

失速控制是当前各种控制潮流能涡轮的性能策略当中应用比较广泛且成熟的控制策略.失速现象与涡轮叶片周围的流场变化息息相关,所以在利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对涡轮进行设计优化时应充分重视分离流的影响.本文中利用ANSYS-CFX软件对采用失速控制设计的潮流能涡轮能量提取系数(Power Extraction Coefficient,Cp)进行模拟与预测,并着重分析流场分离对预测水平轴潮流能涡轮的水动力性能的影响问题.本文不仅对一个潮流涡轮模型进行了数值模拟,还对此涡轮变螺距角情况进行了分析模拟与试验验证.当叶片设置在最佳扭转角(+8.33°)时,试验测得的能量提取系数与数值模拟预测值吻合较好;而在设计扭转角(0°)下的模拟结果和测量结果却相差甚大.通过对流场的CFD后处理分析显示出当设置在设计扭转角时在涡轮后产生了大涡分离,而在最佳扭转角时并没有分离现象产生.由于大涡分离现象是非定常的随机现象,目前在CFD模拟中很难将其模拟准确.这也是在模拟涡轮工作时能量提取系数预测在出现分离情况下不准确的主要原因,同时这也引出了如果没有实验结果进行核对,而是单纯依靠CFD方法预测结果是否有效和可靠的问题.