29、水利与能源领域的技术研究与模拟分析

水利与能源领域的技术研究与模拟分析

1. 水库规划中的模拟技术应用

在水库规划和水资源系统分析中，模拟技术展现出了强大的应用价值。以某灌溉项目为例，通过模拟技术对水库各组件进行模拟，旨在获取设计变量的近似最优值。

模拟过程中，采用了系统抽样和随机抽样两种技术来探索响应（净效益）表面。研究发现，新提出的每年 220MCM 的灌溉需求，使用低于现有 141.25MCM 容量的水库（如 120MCM）就可能满足，甚至能带来更多净效益。这表明，如果在水库建设前进行模拟研究规划，会更为合适。

以下是一些以往用于水库模拟的技术及其应用：
| 序号 | 技术 | 应用 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 | 线性规划和动态规划 | LP：用于逐期优化；DP：通过指定数量的政策期选择最优水库存储政策路径 |
| 2 | 数学规划模型 | 结合河流流域开发，寻找灌溉中的最优作物模式 |
| 3 | 线性规划和动态规划 | LP：用于确定水库容量；DP：进一步细化输出目标 |
| 4 | 水资源系统模型 | 讨论水资源系统规划者和管理者面临的主要挑战 |
| 5 | 随机动态规划 | 用于最大化一年中所有作物相对产量的预期总和 |
| 6 | 运行政策模型和分配模型 | 运行政策模型：用于优化水库放水；分配模型：用于优化灌溉分配 |
| 7 | 可靠性规划模型 | 找出可靠性与其经济损失之间的关系 |
| 8 | 系统分析技术 | 为系统开发多级规划和运行方案 |
| 9 | GA 和 SDP | 用于找出最优运行政策并比较 GA 和 SDP |
| 10 | 水动力学数值模型工具（SIC 和 canal Man） | 模拟预测实际行为并检查其设计 |
| 11 | GA 模型 | 优化运行政策和最优作物用水分配以最大化效益 |
| 12 | MATLAB | 通过对设计变量（水库容量和灌溉需求）的数据采样，模拟水库以获得近似最优值 |

从这些技术的应用可以看出，模拟技术能够预测系统行为，为水库规划提供更详细的信息，解决其他规划方法可能无法解决的问题，是水库规划的有力工具。

2. 达里厄斯水动力涡轮机的研究背景

水动力技术在过去十年中不断发展，改变了传统水电提供的能源格局。它的工作原理与风能技术相似，但由于水和空气的密度差异，水动力涡轮机比风力涡轮机面临更大的力（升力和阻力）。

水动力涡轮机主要根据转子轴相对于水流方向的方向分为两类：
- 轴流式涡轮机：转子轴始终与水流方向平行，由于其圆形扫掠面积，旋转需要更大的深度，主要适用于海洋或潮汐等深度不受限制的应用。
- 横流式涡轮机：转子轴与水流方向正交，旋转时扫掠圆柱形区域，可安装在河流、人工渠道和运河等浅深度应用中。

在横流水动力涡轮机中，达里厄斯转子在发电方面表现优于其他现有横流水动力涡轮机转子（如萨沃纽斯转子）。然而，达里厄斯转子存在自启动问题，因为其翼型叶片导致升力/阻力比更大。启动涡轮机时，需要更多的阻力来克服转子的极限摩擦和惯性。为了提高阻力，以往的研究进行了各种探索：
- Bianchini 等人提出了一种研究翼型虚拟弯度理论的新方法，用于研究失速现象。
- Zhao 等人通过实验研究了潮汐流涡轮机预设攻角的影响，发现攻角从 -3° 增加到 5° 时，涡轮机的水动力性能提高，最大功率系数为 0.348。
- Abdalrahman 等人比较了可变桨距叶片式涡轮机和固定桨距叶片式涡轮机的性能，发现可变桨距式涡轮机性能更好，性能最多提高 25%。
- Paillard 等人对可变桨距达里厄斯转子进行了数值研究，发现可变桨距转子的功率谐波增加了 52%，且涡轮机周围的轻微再循环可改善其性能。
- Kirke 对可变桨距达里厄斯转子水动力涡轮机进行了拖曳试验，指出对于小型涡轮机，雷诺数是决定性能的重要因素，大型涡轮机可能实现更高性能，同时发现寄生力对涡轮机分析很重要。为了改善达里厄斯转子的周期性水动力和自启动性能，开发了一种模因算法，与固定桨距叶片相比，该算法在保持峰值效率的同时能提供更好的启动扭矩。

综上所述，许多研究者建议通过桨距控制或改变攻角来改变升力 - 阻力比，使系统能够自启动。接下来的研究将聚焦于不同攻角下达里厄斯横流水动力涡轮机转子的行为。

3. 达里厄斯水动力涡轮机的研究参数

本研究选择了具有三个翼型叶片的达里厄斯转子进行基于数值模拟的分析。涡轮机叶片选用了直的、对称形状的 S - 1046 翼型。攻角以 -8°、 -4°、0°、4° 和 8° 的步长进行完整模拟分析。

具体的设计参数如下表所示：
| 参数 | 值/范围 |
| ---- | ---- |
| 翼型轮廓 | S - 1046 |
| 叶片数量 | 3 |
| 转子直径（mm） | 175 |
| 攻角（°） | -8°、 -4°、0°、4°、8° |
| 流速（m/s） | 0.5 |

为了分析系统在不同运行条件下的性能，叶尖速比（TSR）在 0.5 到 1.7 的范围内变化。

4. 数值模拟分析

本研究使用商业软件 ANSYS（v.19.1）进行数值分析。该软件提供了模型开发、网格生成和求解器（Fluent/CFX）来求解非稳态雷诺平均纳维 - 斯托克斯（URANS）方程，求解结果通过 ANSYS 工作台的 CFD 后处理模块进行处理。

4.1 涡轮机模型开发

研究目的是研究不同攻角下达里厄斯转子涡轮机的性能以及水流接近涡轮机的变化。因此，根据命名法中给出的尺寸，在 ANSYS 的 “DesignModeler” 模块中创建了五个不同的达里厄斯水动力涡轮机二维模型。

为了使涡轮机叶片能够旋转，创建了一个包围达里厄斯水动力涡轮机的圆形旋转域，其外边界定义为 “界面” 以保持流体流动的连续性。

达里厄斯转子涡轮机与二维计算通道域（静止）一起建模。通道的二维域长 2.5m，宽 0.7m，转子放置在距通道入口段 1.0m 处。

整个计算域（旋转和静止）被选为流体区域，因为模拟的是流动的水，并采用水的属性作为工作流体。此外，通道的各边根据给定的边界条件进行了命名。

4.2 网格生成

为了离散计算域，使用了 ANSYS 网格划分模块。将整个模型导入网格界面，生成了非结构化网格，这种网格在自动生成方面具有更好的灵活性。为了在转子边界（翼型）进行更好的流动分析，生成了密集网格以形成边界层。

第一层棱柱层的高度由无量纲参数 “y +” 决定，其值被认为小于所考虑的湍流模型的值。

网格经过多次细化以获得具有定义精度水平的网格独立性结果。考虑了四个不同级别的细化，分别具有 201,532、308,247、373,619 和 489,636 个元素，最终选择了第三级细化用于整体数值模拟，其网格属性如下：
| 区域 | 节点 | 元素 | 偏斜度 | 纵横比 | 正交质量 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 旋转域 | 184,931 | 184,338 | 0.84 | 12.43 | 0.999 |
| 静止域 | 190,446 | 189,281 | 0.54 | 2.30 | 1.0 |
| 完整域 | 375,377 | 373,619 | 0.84 | 12.43 | 1.0 |

通过以上步骤，完成了达里厄斯水动力涡轮机的数值模拟准备工作，后续将基于此进行不同攻角下涡轮机性能的研究。整个研究过程从水库规划的模拟技术应用，到水动力涡轮机的背景研究、参数设定，再到数值模拟的具体操作，形成了一个完整的技术研究体系，为相关领域的发展提供了有价值的参考。

水利与能源领域的技术研究与模拟分析

5. 模拟分析的具体操作流程

在完成涡轮机模型开发和网格生成后，接下来详细介绍数值模拟分析的具体操作流程，这有助于更清晰地理解整个研究过程。以下是具体的操作步骤：
1. 模型导入与设置 ：将在 “DesignModeler” 模块中创建好的达里厄斯水动力涡轮机二维模型导入到 ANSYS 的求解器（Fluent/CFX）中。设置求解器的基本参数，如选择非稳态雷诺平均纳维 - 斯托克斯（URANS）方程进行求解，同时考虑 RNG k - ε 湍流模型，因为该模型适用于此类流体模拟。
2. 边界条件设定 ：
- 入口边界：设定水流速度为 0.5m/s，这与之前研究参数中确定的流速一致。
- 出口边界：根据实际情况，设置合适的出口条件，如压力出口等。
- 壁面边界：对于涡轮机叶片和通道壁面，设置为无滑移壁面条件。
3. 求解参数调整 ：
- 时间步长：根据模拟的实际情况和精度要求，合理设置时间步长。一般来说，较小的时间步长可以提高模拟的精度，但会增加计算时间。
- 收敛准则：设定收敛标准，如残差收敛到一定值以下，以确保模拟结果的准确性。
4. 模拟运行与监控 ：启动模拟程序，在运行过程中实时监控各项参数的变化，如功率系数、扭矩系数等。观察模拟的收敛情况，如果出现不收敛或异常情况，及时调整参数。
5. 结果处理与分析 ：模拟结束后，将结果导入 ANSYS 工作台的 CFD 后处理模块进行处理。可以通过该模块生成各种可视化图形，如速度矢量图、压力分布图等，以便直观地观察水流在涡轮机附近的流动情况。同时，提取功率系数、扭矩系数等关键参数，分析不同攻角和叶尖速比下涡轮机的性能变化。

以下是模拟分析操作流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(模型导入与设置):::process
    B --> C(边界条件设定):::process
    C --> D(求解参数调整):::process
    D --> E(模拟运行与监控):::process
    E --> F(结果处理与分析):::process
    F --> G([结束]):::startend

6. 研究结果与展望

通过上述的研究方法和模拟分析，我们可以得到不同攻角下达里厄斯水动力涡轮机的性能数据。例如，随着攻角的变化，功率系数和扭矩系数会发生相应的改变，通过对这些数据的分析，可以找出涡轮机性能最优的攻角范围。

以下是一个假设的不同攻角下功率系数和扭矩系数的变化表格：
| 攻角（°） | 功率系数（CP） | 扭矩系数（CT） |
| ---- | ---- | ---- |
| -8 | 0.2 | 0.1 |
| -4 | 0.25 | 0.12 |
| 0 | 0.3 | 0.15 |
| 4 | 0.35 | 0.18 |
| 8 | 0.32 | 0.16 |

从这个表格中可以看出，攻角为 4° 时，功率系数和扭矩系数相对较高，说明此时涡轮机的性能较好。

未来的研究可以进一步拓展，例如：
- 考虑更多的运行条件，如不同的水流速度、不同的叶尖速比范围等，以更全面地了解涡轮机的性能。
- 研究不同翼型对涡轮机性能的影响，寻找更适合达里厄斯水动力涡轮机的翼型。
- 结合实验研究，验证数值模拟的结果，提高研究的可靠性。

综上所述，通过对水库规划模拟技术和达里厄斯水动力涡轮机的研究，我们在水利与能源领域取得了一定的成果。这些研究不仅有助于优化水库的设计和运行，还为水动力涡轮机的性能提升提供了重要的参考，推动了相关领域的技术发展。