海洋渔业是我国农业体系中重要的组成部分。我国海洋渔业发展迅速, 科技的进步与发展为海洋渔业提供了向现代化、科技化方向发展的道路^[1]。网箱养殖是海洋渔业开发的一种重要模式。网箱养殖受海上风浪的影响比较大, 当前的解决措施是在网箱周边加筑消波堤或加固网箱。加固网箱会增加养殖成本, 加筑消波堤会影响网箱区域海水流动交换, 改变养殖区域生态环境^[2]。现代化渔业设备如投饵机等的出现方便了网箱养殖, 但设备供电问题却限制了设备的大规模使用。

基于上述网箱养殖问题, 设计了浮式消波海流机。在用样机做实验时, 发现浮式消波海流机在海面上工作时的吃水深度以及叶片的安装角度会对发电效率会产生影响。目前, 海流机的优化主要是对装置的叶轮部分进行优化, 叶轮的工作环境基本处于水下, 即仿真环境中只需要单相介质(水)。浮式消波海流机工作时需处于半浮状态, 且获能部件不是标准的水轮机水平轴叶轮, 而是多垂直轴叶片组合的形式, 且要求装置上的叶片部分入水获能。综合装置的特点, 为更好地模拟装置的实际工作环境, 本文采用模拟船舶行驶过程分析中常用的VOF(volume of fluid)模型建立模拟工作环境, 结合设计海流机的经验, 利用流体仿真软件ANSYS-Fluent, 对浮式消波海流机的吃水深度线(以下简称水线)以及叶片安装角度进行优化, 以达到最优的发电效果。

1 浮式消波海流机机构和工作原理

浮式消波海流机采用半浮式结构, 如图 1所示, 装置上半部分主要用来抵抗风浪, 下半部分利用海流能带动装置产生电能。装置中有倒转自锁功能, 在抵抗风浪时不会产生倒转, 提高了消波效果。如图 1所示, 装置的吃水深度由特制的锚泊系统控制, 浮式消波海流机还可以根据不同尺寸规格的网箱, 进行模块化组装。

装置发电原理是利用海流能为浮式消波海流机提供驱动力。海流机水线以上部分为空气, 水线以下部分为海流。装置下半部分受到海流冲击力, 力产生扭矩, 从而驱动装置转动, 带动海流机内置发电机发电。参照水轮机扭矩系数定义, 海流机的扭矩系数^[3] C_m、功率系数C_t定义为:

$ C_{\mathrm{m}}=\frac{M}{\frac{1}{2} \rho U^{2} A d}, $

(1)

$ C_{\mathrm{t}}=\frac{M \omega}{\frac{1}{2} \rho U^{3} A}, $

(2)

其中: M为装置所受的扭矩; ρ为水密度; A为装置扫流面积; d为转动中心到叶片顶端长度; ω为转动角速度。

海流机的叶片对发电效率影响很大, 叶片的安装角度对叶片性能具有很大的影响。结合图 1, 定义装置本体切线为叶片中轴线与抗风浪海流机圆柱状本体交点处的切线, 叶片中轴线与装置本体切线之间的夹角即为叶片的安装角度。

2 数值模拟方法的建立与验证 2.1 网格模型的建立

由于浮式消波海流机呈圆柱状, 叶片为圆周分布, 为减少计算量, 取浮式消波海流机截面简化后的二维模型进行分析。本文采用Gambit前处理软件进行网格划分。网格划分如图 2所示, 外部流域采用结构化网格进行划分, 内部旋转域采用非结构化网格进行划分。旋转域与外部流域交界处设置交界面, 内部流域设置为Moving Mesh类型。在水线位置、旋转域、旋转域与外部流域交界面处加密网格^[4]。

2.2 数值模拟方法与验证

由于浮式消波海流机半浮于水面, 本文采用VOF两相流计算模型^[5], 定义水为第一相, 空气为第二相, 通过调整空气与水在流域中的分布比例以确定不同的水线。如图 3所示, 本文共划分1/2水线、1/3水线、最低水线(水线位置与叶片根部齐平)3个水线位置。本文采用k-epsilon紊流模型, 压力与速度耦合算法采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法^[6]。

本文基于1/2水线位置、叶片安装角度90°划分两种不同密度的网格, 进行网格无关性的验证。考虑到浮式消波海流机恶劣的工作环境, 以及对抗风浪的要求, 设置U=3 m/s。由表 1可知不同网格密度的模型在时间步长N保持一致的情况下, C_t分别为0.225与0.219, 两者相差不大, 可以认为网格密度对计算结果没有影响。

3 模拟仿真与实验分析 3.1 流域模拟结果分析

本文采用ANSYS-Fluent进行模拟仿真, 仿真结果在一定程度上反映了浮式消波海流机的特性。给定浮式消波海流机的来流速度U=3 m/s, 海流机初始旋转角速度ω=0.3 rad/s。图 4为在1/3水线位置, 叶片安装角度90°时不同模拟时刻的速度云图。

通过对比分析速度云图, 观察速度尾流随时间的变化可知, 尾流随模拟时间的增加逐渐变长, 且未出现尾流长度波动的变化, 证明浮式消波海流机在模拟过程中未出现停转或者倒转的现象。对比不同时刻的速度云图, 发现初始时间段内如图 4a所示, 流域内速度的波动较大, 海流机下方存在多个不同的速度层级。海流机模拟后期如图 4b所示, 流域内速度层级较为单一, 且装置后方流域速度很低^[7], 证明此时装置的运行状态已经趋于稳定。根据仿真分析, 装置在模拟时间30 s至40 s时间内会逐渐达到一个稳定的状态, 所以设定本文模拟仿真的模拟运行时间为40 s。

3.2 水线优化分析 3.2.1 水线模拟结果分析

不同的水线位置对浮式消波海流机的效率具有一定的影响^[8], 根据以前对装置进行海试时发现的问题, 本文选取1/2水线、1/3水线、最低水线(叶片根部)共三种水线在相同的流域环境中进行相同模拟时间的仿真, 来流速度U=3 m/s, 装置初始旋转角速度ω=0.3 rad/s。选取运行12~40 s的时间段进行观测并取样, 根据公式(1)得到如图 5所示的扭矩系数对比图。如图 5所示, 3种水线在模拟运行30 s左右时会达到稳定运行状态。对比3组数据, 达到稳定工作时间最快的是1/3水线, 1/3水线在装置稳定后的C_m大于1/2水线和最低水线的C_m ^[9]。

通过得到的扭矩数据, 根据公式(2)得到不同水线的稳定后的平均功率系数以及在整个观测过程中的平均功率系数。如图 6所示, 1/3水线的稳定功率系数和平均功率系数分别为0.684和0.561, 大于1/2水线的稳定功率系数0.217和平均功率系数0.219, 以及最低水线的稳定功率系数0.265和平均功率系数0.211。3种水线的功率系数呈现以1/3水线为波峰的分布, 浮式消波海流机的水线控制在1/3水线位置可以得到很好的发电效率。

1/2水线扫流面积大于1/3水线, 受到海流提供的能量也是比较多的, 但是1/2水线的位置经过装置转动中心。海流提供的能量一部分转换成正扭矩驱动装置, 另一部分则由于复杂的水况越过水线即越过转动中心, 产生负扭矩或者来流产生的力直接指向转动中心不做功。1/3水线位置低于转动中心, 海流经过时对装置提供的基本是正扭矩。最低水线的位置与叶片根部齐平, 所以只有叶片获能, 装置本体不获能。最低水线总的扫流面积相对于1/2水线与1/3水线小, 捕获的能量也是最少的。

3.2.2 水线实验结果优化分析

为对仿真结果进行验证, 在东海标准计量中心进行水槽实验。图 7a为40 W浮式消波海流机测试样机, 装置内部安装一个40 W的发电机。图 7b为实验水槽和拖拽行车。样机通过固定架固定于行车底部。通过调节行车连接固定架丝杠的高度来调节装置的水线。行车拖拽速度为2 m/s。根据实验数据, 结合公式(1)、(2)得到如图 8所示的功率系数对比图。

对比图 6中的模拟结果可知, 实验中的功率系数相较于图 6中的模拟中的功率系数要小。这是因为模拟环境相对于实验环境比较理想, 干扰因素较少。图 8中功率系数最大的仍然是1/3水线, 实验结果与模拟结果得出的结论都是1/3水线位置是最优水线位置。

3.3 叶片安装角度模拟结果分析

通过对不同水线的数据进行对比, 得出1/3水线性能高于1/2水线与最低水线。结合水线分析结果, 选定1/3水线为装置工作水线, 选取叶片安装角度分别为100°、90°、80°、60°, 在来流速度U=3 m/s, 装置初始旋转角速度ω=0.3 rad/s的条件下进行模拟仿真。选取运行12~40 s的时间段, 按照每2 s时间间隔取样并计算分析, 得到如图 9所示的扭矩系数对比图。通过图 9可以得出不同叶片安装角度的模拟仿真结果, 在30 s左右会达到稳定运行状态。其中, 最快达到稳定状态的是叶片安装角度为90°的数据。在34 s左右, 100°、80°和60°安装角达到稳定状态, 3组达到稳定的时间基本一致。叶片在90°安装角度下稳定后的C_m平均值大于100°、80°和60°安装角度下的C_m平均值。

根据模拟仿真得到的数据, 结合公式(2)计算出如表 2所示的不同叶片安装角度的功率系数。结合表 2与图 10, 在1/3水线、90°叶片安装角度下, 浮式消波海流机稳定后的平均C_t, 大于其他安装角度稳定后的平均C_t。其整个过程的平均C_t也大于其他安装角度整个过程的平均C_t。在图 10中, 90°安装角度下的C_t处于峰值位置, 证明在1/3水线下, 90°安装角度下的浮式消波海流机的发电效率可以达到最优状态^[10]。

90°安装角度下叶片的模拟仿真结果优于其他安装角度的叶片, 这是由于90°安装角度下叶片的垂直获能面积比其他安装角度的要大, 叶片壁面与来流方向接近于直角, 叶片的获能损失较小, 转化率较高。由图 9可知, 在装置未达到稳定运行状态之前, 在20 s左右, 90°安装角度下的扭矩系数值低于其他安装角度的扭矩系数值。结合图 4云图可知, 装置从启动到稳定的过程中, 其背流面水流仍然有较大流速。叶片的直接获能面积越大, 背流面积也就越大。在背流面, 有流速的水流会对装置产生负扭矩, 造成90°安装角度下的模拟数值在某一时间段偏低。随着模拟时间的增加, 背流面水流流速逐渐减小, 对装置产生的负扭矩也逐渐减小。

4 结论

本文通过Gambit建立了浮式消波海流机二维网格模型, 借助ANSYS-Fluent软件对浮式消波海流机进行仿真分析, 结合水槽实验, 对装置的水线以及叶片的安装角度进行优化, 得出以下结论:

1) 浮式消波海流机的水线位置对装置的获能有很大影响, 3组水线的扭矩系数呈现出以1/3水线为波峰的分布, 1/3水线为3组中的最优水线。

2) 浮式消波海流机适合采用90°安装角度来安装叶片, 4组不同叶片安装角度下, 扭矩系数呈现出以90°安装角度为波峰的分布, 90°安装角度为4组安装角度中的最优角度。

3) 浮式消波海流机达到运行稳定状态需要一定的时间, 所以要合理地布置装置与海流流向之间的位置, 以便直接获能和延长海流冲击时间。

4) 利用VOF两相流模型结合k-epsilon紊流模型可以实现对半浮式的海流机、海面作业平台等装置进行很好的优化仿真。