2024年4月16日发(作者：功彗)
第
36
卷第
2
期
2018
年
3
月
文章编号：
1005-9865 (2018) 02-0119-08
THE OCEAN ENGINEERING
洋工程海
Vol.36No.2
Mar. 2018
基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转
水动力性能研究
陈文鹏，刘胤超，陈立卫
(杭州江河水电科技有限公司，浙江杭州310012)
摘要
:
针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题，基于
Fluent 17.0,
运用
UDF(User Defined Function
)控制滑移网格对网格进行
动态调整，仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析，结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放
角度的增加，尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小，叶片安放角为
6°
时，叶轮前后速度差最大，对潮流能利用充分，
且各项性能均达到最佳
;
通过分析叶片受力，叶尖叶素在安放角为
2°
时阻力最大
,3°
时升力最大，升阻比在
6°
时最大，此时叶
尖叶素升阻比
C,/C
d
=6.27
、攻角
a = 3.06°
。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由
5
个阶段组成，即加速度增大
的加速运动段一加速度减小的加速运动段一加速度反向增大的减速运动段一加速度反向减小的减速运动段一稳定运行段，
这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。
关键词
:
水平轴
;
潮流能水轮机
;
被动旋转
;UDF;
安放角;水动力性能
中图分类号：
P743
文献标志码：
A D0I:10.16483/.1005-9865.2018.02.014
Study on hydrodynamic performance of horizontal tidal turbine
rotating passively based on UDF
CHEN
Wenpeng
,
LIU
Yingchao
,
CHEN
Liwei
(Hangzhou Jianghe Hydro-Electric Science and Technology Co.
，
Ltd.，Hangzhou 310012
，
China)
Abstract
：
Aiming at the problem of horizontal tidal turbine rotating passively, and using UDF(User Defined Function) to control the
sliding mesh to adjust grid dynamically by Fluent 17.0，the hydrodynamic performance of passive rotating for various pitch angles w，as
studied. Results show that with pitch angel increasing, all of its tip speed ration, output power and energ^^-catching coefficient increase
first and then decrease, the velocity difference is much larger in front and at back of the rotor for 6°pitch angle, the use of velocity
energy is sufficient, and they are all optimum for 6° pitch angle. Analyzing the force of Blade-tip airfoil shows that its maximum drag is
at 2° pitch angle, maximum lift is at 3°pitch angle ，optimal lift-drag ratio is 6.27 at 6° pitch angle and its attach angle is 3.06. The
starting-up process of turbine has five phases
：
accelerating motion of angular acceleration increasing，accelerating motion of angular
acceleration decreasing，accelerating motion of negative angular acceleration increasing，accelerating motion of negative angular
acceleration decreasing and stability, which is of guiding significance to the design of tidal turbine.
Keywords
：
horizontal tidal turbine
；
rotating passively
；
UDF
；
pitch angle
；
hydrodynamic performance
潮流能是海洋能的一种，是伴随着潮汐现象产生的有规律的海水水平运动所包含的动能。随着社会的
发展，资源短缺、环境污染等矛盾日益突出，潮流能作为一种高能量密度、储备丰富、可再生的资源受到各国
政府的重视[1]。水平轴潮流能水轮机作为一种能量转换的装置，与水平轴风力机原理相近，具有输出功率
收稿日期：2017-08-04
基金项目：水平轴自变距潮流能工程样机设计定型（
ZJME
2013
ZB
02)
作者简介：陈文鹏（ 1989-),甘肃临洮人，男，工程师，主要从事潮流能发电装置研究。
E
-
:
cwplee
@163.
120
海 洋 工 程
第36卷
稳定、捕能系数较高、启动容易、转矩波动较小、运行高速的特点[2]。
叶素-动量理论和
CFD
方法已经广泛运用于水平轴潮流能水轮机的水动力性能分析[3-4]。赵东亚等采
用
CFD
对设计的水平轴潮流能水轮机在不同尖速比下进行功率特性分析，分析结果表明:水轮机的输出功
率是由叶片中间部分产生，并且该段受三维影响较小[5]。：
Harrison
等利用实验和
CFD
方法分别对水平轴潮
流能水轮机进行了研究，结果表明:在流动分离和涡流存在区域，数值计算与实验计算的功率系数相差较大，
但是两者安放角与尖速比之间的关系又比较吻合[6]。廖微等对比分析了叶素-动量理论和
CFD
方法在水平
轴潮流能水轮机性能分析中的准确性和适用性，研究结果表明:采用动量-叶素理论和
CFD
方法均能较为准
确的分析水轮机的性能，且
CFD
的计算精度要高于叶素-动量理论的计算精度[7]
。Singh
P
M
等利用叶素动
量理论、
X-Foil
软件开发的源代码，研究叶片形状对水翼型的影响，最后利用
CFD
软件优化叶轮几何模型，
优化后的3叶片模型最高功率系数达46%[8]。何煜平等利用叶素-动量理论设计了 150
kW
水平轴潮流能
发电机叶片，并预测了不同安放角下的水动力性能，最后通过
CFD
方法和理论方法验证了叶素-动量理论的
水平轴海流能叶片设计方法是有效的[9]。但利用叶素-动量理论设计潮流能水轮机，并且进行被动计算的
研究较少。
针对潮流能水轮机被动旋转的问题，本文运用三维
CFD
方法，
Fluent
17.0滑移网格模型，利用宏
DEFINE
_
Z
0
NE
_
M
0
TI
0
N
与函数
Compute
_
F
〇
rce
_
And_Moment
[10]建立转子受力和运动方程，通过
UDF
函数计算转速
控制方程和滑移网格，对网格进行动态调整，模拟水平轴潮流能水轮潮在海流作用下的被动旋转[11-12]。
1理论介绍
1.1水翼的概念
1)叶尖速比。叶尖速比简称为尖速比，叶片叶尖
的线速度^与来流速度〃之比。
V
2
nRn
A =—=-----
v 60 v
(1)
式中
：V
为叶片叶尖线速度
（m
/
s
);
v
为来流速度
(
m
/
s);n
为叶轮转速(
r
/
min);R
为叶轮转动半径(
m
)。
2) 安放角心从图1翼型的概念及受力分析可
看出，叶轮旋转平面与翼弦所成的角^称为叶片安放
角。本文叶片为无扭曲直叶片，因此沿翼展方向不同位
图
1
水翼概念及受力分析
Fig. 1 Concept and force for hydrofoil
1.2翼型受力分析
置的安放角都相同。
3) 攻角
a
。翼弦与相对流速所成的角称为攻角。
如图1，叶片所受流体总动力可以分解在相对流速方向的一个力〜，称为阻力;另一个垂直于阻力〜的
力，称为翼型升力^，&就是静止的叶片在流速为
v
的作用下，使叶片旋转的力。
F
=
2 pCr
Sy
v
fd
=
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
f
CD
SyV
1
fl
=
yP
CL
Sy
v
2
F2 =F
D
+
F
2
L
C
2 =
CD
+
c
L
定义潮流能水轮机获得的有效功率为
P
，捕能系数为
Cp
，计算公式如下：
w
P
=M
•
C
p
~~
"0.
5
pv
3
Sy
P
y
式中:
P
为流体密度;
v
为来流速度;
Q
为流体动力系数;
Q
为阻力系数;
Q
为升力系数;为叶片扫掠面积。
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
121
1.3
UDF
介绍
用户自定义函数或
UDF
是用户自编的程序，它可以被动态地连接到
Fluent
求解器上来提高求解器性
能，用户自定义函数用
C
语言编写。
UDF
使用时可以被当作解释函数或编译函数，解释函数在运行时读入
并解释,而编译
UDF
则在编译时被嵌入共享库中并与
Fluent
连接，解释
UDFS
用起来简单，但是有源代码和
速度方面的限制。编译
UDF
执行起来较快，也没有源代码限制，但设置和使用较为麻烦。
标准的
FLUENT
界面并不能满足每个用户的需要,
UDF
的使用可以定制
Fluent
代码来满足用户的特殊
需要。关于旋转机械模拟的问题,
Fluent
提供了设定确定转速的模拟方法，对于水轮机等被动旋转的机械,
Fluent
提供了动网格模型，但动网格模型对网格要求较高,计算过程中极易出现负网格，并且每个计算过程
都需要对各个参数进行多次调节,对计算结果影响较大,计算时间较长。对于不同模型、不同工况下的模拟,
计算量巨大。
Fluent
中的滑移网格能够保持较好的网格质量,可以最大限度的代替动网格，尤其是对于一些
分界面确定的计算模型，滑移网格可以用于瞬态模拟。本文利用宏
DEFINE
_
ZONE
_
MOTION
和
C
〇
mPute
_
Force
_
And
_
Moment
函数编写潮流能水轮机被动旋转的程序,然后在
Fluent
中进行
UDF
编译,最后利用滑移
网格进行计算。
1.3.1
DEFINE
_
ZONE_MOTION
宏
DEFINE
_
ZONE_MOTION
(
name
,
omega
,
axis
,
origin
,
velocity
,
time
,
dtime
)有七个参数，其中角速度
Io
mega
、轴
axis
、形心
origin
、速度
velocity
、时间
time
和
dtime
通过
Fluent
求解器传递给所编写的
UDF
, 该宏中需
要指定运动域和运动方向。
1.3.2
Compute
_
Force
_
And_Moment
函数
Compute
_
Force
_
And_Moment
(
domain
,
til
,
origin
,
:(」)()dy
,
m」)ody
,
TRUE
)共六个参数，其中
domain
指计算域;
tf
1是面索引，即需要计算受力的面;
origin
为形心位置,
f
_
body
与
m
_
body
指在惯性系下的力与力
矩。
TRUE
与
FALSE
是逻辑类型的量,
TRUE
为1,则
host
调用函数;
FALSE
为0,则
host
不调用函数。
2数值建模
2.1叶轮几何参数
潮流能水轮机叶轮几何参数如表1所示。
1
潮流能水轮机叶轮几何参数
Tab. 1 Prototype parameters of tidal turbine
表
参数
设计功率
P/kW
设计转速
ft/( r . min_l)
叶轮直径
fl/m
叶片数
S
量值
参数
设计流速
^/( m • s_1 )
叶片长度
i/m
扫掠面积
Sy/m2
量值
90
15
10.857
4
2
4.5
92.53
2.2三维模型建立与网格划分
图2为开放流场示意图,转子流场直径10.9
m
,经过计算分析，确定开放外流场进出口距离转子中心
分别为1.5
fl
与3
fl
,开放外流场直径为5
fl
。
运用
ICEM-CFD
17.0对模型进行网格划分，如图3所示，其中转子区域采用自适应性很强的非结构化网
格，在曲率较大的地方进行网格加密，最低网格质量为0.35。开放外流场采用六面体结构化网格，最低网格
质量为0.85。转子流场和开放流场之间通过
interface
面传递流量与能量。
2.3网格无关性检验
表2为叶轮安放角为4。、潮流速度为^ = 2
m
/
s
时，通过
Fluent
软件计算出不同网格数下的尖速比。
122
海 洋 工 程
第36卷
图
2
流场模型
表
2
图
3
网格模型
Fig. 2 Flow model of tidal turbine
Fig. 3 Mesh model of tidal turbine
不同网格数下尖速比
Tab. 2 Tip speed ratio for different numbers of grids
网格数（百万）
尖速比
A
9.52
4.296
12.41
4.488
14.02
5.046
15.5
5.379
16.7
6.058
17.25
6.053
20.13
6.069
24.36
6.056
26.92
6.067
从表2中可以看出网格数少于1 670万，随着网格数的
增多尖速比逐渐增大，大于1 670万时尖速比都在6.06左
右，变化很小。考虑工作站
HP
Z
640计算速度快慢及计算
精度，模型网格数选择1 725万，其中转子网格为985万，开
放外流场网格为740万。
2.4叶轮瞬时运动过程计算描述
在流场计算过程中，需要给出叶轮在水流作用下的动
态变化过程，因此需要给定叶轮运动方程。
转子在水流的作用下转动，瞬时角速度为〜，发电机组
的转动惯量为/，转子获得力矩为负载力矩为7；，机械阻
力矩为匕，则发电转子的动力学关系为
d
m
J
~^ =
7_Te_Tm
_
Bsgn
(
M
、
m
(8)
式中^为发电机对转子转动的阻尼系数，物理意义为角加速度
m
增加
A
m
后，发电机电磁转矩下降
A
7
s
，其
值随着转速的增加而减小，
sgn
(
M
)
=
Bsgn
(
M
)
M
。因此，叶轮瞬时运动过程为：
d
m
M
，表示
m
的方向，在本文计算中加载额定负载力矩，暂不考虑
(9)
(10)
M
=
M
+
dM
运用
UDF
与式(9)、式（10)编写程序，计算的基本思想如图5所示。
个
S
I
____________________________^
由
式
度
角
速
o
回
到
Flu
解
器
中
C
(10
Fluent
计算流程
Fig. 5 Computational process of Fluid
通过图5的循环计算，可以得到稳定状态下的角速度〜，再进行后处理，就可以得到叶轮的捕能系数&、
输出功率'尖速比
A
以及叶尖叶素的升力心、阻力〜、升阻比与攻角
a
。
2.5计算方法
潮流能水轮机转子运动为复杂的三维非定常粘性流动，数值模拟求解雷诺时均
Navier-Stokes
方程，采用
标准
k
湍流模型和
SIMPLE
压力速度耦合算法，压力项采用
Second
-
Order
，其余采用
Second
-
Order
-
Upwind
。
图
5
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
123
指定进口速度为2
m
/
s
，并设定湍动能和湍流耗散率，出口为压力出口。转子表面和轮毂，满足速度无
滑移条件，固壁面附近流动采用标准壁面函数确定。
转子负载扭矩7；，按照设计功率90
kW
与设计转速15
r
/
min
，计算得到7； = 57 325
Nm
，机械阻力矩由轴
承等机械摩擦引起，取匕=675
Nm
。
由于需要根据水流作用在叶轮叶片上力矩确定转子的转速，所以需要在流场计算过程中，首先利用
UDF
中的函数
C
〇
mPute
_
F
〇
rce
_
And
_
M〇ment
计算出转子上的扭矩，然后代入式（2)计算出转子的角速度，再
将转子角速度调入滑移网格流场求解器中，进行下一步计算。
3数值模拟结果及分析
潮流能水轮机的捕能系数与安放角有关，通过模拟不同安放角下水轮机的运动，计算潮流能水轮机的转
速心捕能系数
Cp
、功率'尖速比
A
以及叶尖叶素升力心、阻力心、升阻比
Q/Q
与攻角
a
，研究安放角对叶
轮水力性能的影响。
3.1安放角叶轮外特性的影响
图6为通过
UDF
计算得到不同安放角下叶轮的转速，在负载扭矩下，随着安放角的增大，叶轮转速先增
大后减小，0 = 2° ~ 10°时，转速都大于15
r
/
min
，0 = 6°时转速最高
，n
= 21.77
r
/
min
，安放角越大，叶片受到的阻
力越大，转速下降。^ = 20。时，转速^= 10.09
r
/
min
，仅为最大转速的46.35%。叶轮输出功率随着安放角沒的
增大先增大后减小'=2。~10。时，功率都大于90
kW
' = 6°时，功率
P
=132.2
kW
达到最大，0 = 20。时，功率
仅为61.3
kW
。叶片安放角越小，叶轮自启动越困难，安放角越大叶轮自启动越容易，但安放角增大叶轮的
转速和输出功率急剧下降。因此合适的安放角对叶轮的转速和输出功率有重要的影响。
图7为叶轮的捕能系数和尖速比变化曲线，从图中可以看出叶轮捕能系数和尖速比同样随着安放角的
增大先增大后减小，安放角在0 = 6°时达到最大，捕能系数
C
p和尖速比
A
分别为34.86%与6.27。
图
6
叶轮在不同安放角下的功率与转速
图
7
不同安放角下的捕能系数与尖速比曲线
Fig. 6 Power and speed for various pitch angles
3.2叶尖叶素受力分析
Fig. 7 Energy-cateWng coefficient and Up speed rado for various
pitch angles
图8为叶尖叶素在不同安放角的升力、阻力以及升阻比，从图中可以看出随0增大，升力&先增大后减
小，0 = 3°时升力最大，心=283.7
kN
。随着安放角的增大，阻力一直减小，在0 = 2°时阻力最大，〜=48.3
kN
。
而升阻比在安放角0 = 6°时最大
，C
/
C
d
= 6.27。
(
。
¥
聢
每
4
图
8
叶尖叶素在不同安放角下的升阻力与升阻比
图
9
安放角0/(°)
8 12 16 20
叶尖叶素在不同安放角下的攻角
Fig. 8 Lift
，
drag and lift-to-drag ratio of tip airfoil for various
pitch angles
Fig. 9 Angle of attack of tip airfoil for various pitch angles
124
海 洋 工 程
第36卷
图
9
为不同安放角时叶尖叶素的攻角，在小安放角时，叶素攻角较大，叶素处于失速状态，升力较大，阻
力也较大，升阻比较小，因此，叶轮的转速〃、捕能系数
&
、功率尸、尖速比
A
都较小。安放角越大，叶素的攻
角越小，
0=15
。时叶尖叶素攻角
a = -0.38
。，出现负攻角，此时捕能系数更低，输出功率更小。由于是对称叶
素，攻角为
a = 0
。时，叶素升阻比并不是最大，而在安放角
0 = 6
。，攻角
a = 3.06
。时，此时升阻比最大，叶轮捕能
系数、输出功率、尖速比都达到最大。
3
.
3
0
= 6
。
叶轮启动过程监测曲线分析
图
10
为叶轮启动过程扭矩监测曲线，在阶段
1
，叶轮捕获的扭矩迅速增加，
0.24 s
时，达到最大，此时叶
轮做角加速度增大的加速运动，此过程叶轮捕获能量较多，但波动明显，振动较大
;
在阶段
2,
叶轮捕获的
dt
扭矩逐渐减小，但仍大于外负载力矩，此时叶轮做角加速度
d^
减小的加速运动
;
在阶段
3,
叶轮捕获的扭矩
dt
继续减小，
0.7 s
时达到最小，为
37.2 kN • m
，此时叶轮做角加速度
d~
反向增大的减速运动
;
在阶段
4,
叶轮
dt
捕获扭矩开始增大，但仍小于负载力矩，叶轮做反向加速度减小的减速运动
;
在阶段
5,
叶轮运动趋于稳定，
在
13 s
以后，叶轮运动已经达到稳定状态，叶轮获得的扭矩与外负载力矩相平衡，此时叶轮已旋转过
6.5
转。
图
10
启动过程中扭矩曲线
Fig. 10 Torque of rotor during starting period
(
7
s
.
p
m
)
/
3
«
s
c
图
11
启动过程中角速度曲线
Fig. 11 Angular velocity of rotor during starting period
图
11
为启动过程中叶轮角速度监测曲线，可以
看出随着叶轮旋转，叶轮呈现先加速后减速的运动
状态，在
0.58 s
时角速度达到最大，为
4.05 rad/s
，最
后达到稳定值
2.28 rad/s
。
图
12
为叶轮自启动过程中的输出功率监测曲
线，随叶轮旋转，功率先增大，在
0.36 s
时达到最大，
然后减小，到
0.74 s
时功率出现第一个极小值，然后
有小幅度震荡，最后稳定于
132.2 kW
。
图
12
启动过程中功率曲线
Fig. 12 Power of rotor during starting period
3
.
4流场分析
叶轮旋转轴为
F
轴，以
F0Z
建立流场中截面，即
为图
2,
选取潮流能水轮机叶片安放角
0 = 3
。
' = 6
。以
及沒
=8°
进行速度场和压力场分析。
3.4.1
速度流线图分析
图
13
给出了安放角
0 = 3
。乂
= 6
。与
0=8
。的速度流线，由图可知，安放角较小，叶轮尾流区域旋涡明显、
旋涡带区域较大。这是由于叶片攻角较大，处于失速状态，叶片边界层流动被破坏，因此在叶片背面尾端出
现大量旋涡，能量耗散增大。从
0=8
。速度流线上看出，叶轮尾流区域旋涡明显小于安放角，但尾流区的速度
明显高于安放角为
6
。与
3
。的尾流区速度，能量利用不充分。安放角
0 = 6
。时叶轮尾流区流态较稳定，旋涡较
少，并且尾流速度很低，叶片叶尖线速度较高，叶轮前后流体的速度差较大，这说明
0 = 6
。时，叶轮能量耗散率
较低，动能利用充分。
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
125
0.24 3.37 6.50 9.64 12.77
Velocity streamine 1 (m s ])
(a)
，
3
°速度流线
Velocity streamine 1 (m s ')
(b) &6
°速度流线
0.02 3.42 6.82 10.22 13.62
■ ■
0^1
3.35 6.29 9.24 12.18
Velocity streamine 1 (m s ])
(c) *8
°速度流线
图
13
不同安放角下速度流线
Fig.
13 Velocity streamlines for various pitch angles
3.4.2
速度分析
图
14
为不同安放角中截面速度云图
，
从中可以看出
，
安放角较小时
，
叶轮旋转对周围流体扰动最为明
显
，
在尾流中心及两侧均有较多的低速区
，
且流体速度梯度较大
，
在离叶轮中心
3
倍的距离流态开始恢复
。
三种情况速度最大值均在叶片叶尖处
，
0
= 6°
时叶片叶尖线速度最大
，
叶轮前后速度差也最大
。
图
14
不同安放角下中截面速度云图
Fig. 14 Velocity contour for various pitch angles in middle plane
3.4.3
压力分析
从中截面压力云图
15
可以看出
，
流体经过叶轮后压力发生了明显的变化
，
其中在叶轮正前方
，
压力都较
大
，
这是流体冲击作用造成的
。
安放角为
3°
时
，
由于叶片正对流体
，
迎流面积较大
，
叶轮对流体流动阻碍较大
，
流体对叶轮的冲击作用
明显
;
在安放角为
6°
时
，
受旋转效应的影响
，
流体较安放角为
8°
时更易通过叶轮
，
因此安放角为
8°
时叶轮对
流体流动的阻碍更明显
，
流体对叶轮的冲击作用更强
。
在叶轮尾流区和叶尖部分区域产生了负压
，
极易发生
气蚀现象
。
三种安放角下压力最大值和最小值的位置基本相同
'
= 6°
时中截面上压力最大值均小于其它安
放角的压力最大值
，
压力最小值均大于其它安放角的压力最小值
。
压力极小区都在叶轮的尾流区域
，
安放角
为
3°
时压力极小区离叶轮中心最远
，
面积最大
，
负压区最分散
;
安放角为
6°
时压力极小区离叶轮中心最近
，
负压区较为集中
，
随着远离叶轮
，
流态逐渐恢复
。
126
海 洋工程
第36卷
4结语
1) 运用叶轮运动方程、
UDF
程序及
Fluent
滑移网格模型，对水平轴潮流能水轮机进行被动计算,在设
流速
r
= 2
m
/
S
下,潮流能水轮机在叶片安放角0 = 6°时叶轮的稳定转速
re
= 21.77
r
/
min
,尖速比
A
= 6.27,功率
P
=132.2
kW
,捕能系数
Cp
= 34.86%。各项性能指标均达到最佳，因此在设计流速下，选择0 = 6。为最佳安
放角。
2) 该水轮机在启动初始阶段捕获的能量较多，但波动明显,机组振动较大,水轮机处于湍振阶段，湍
时间约为2
s
，时间较短。运行时应避开此工作点。随着叶轮继续旋转,转速达到最大,此时叶轮捕获扭矩迅
速减小，水轮机做减速运动，直至叶轮捕获的力矩与负载力矩平衡,转速达到平稳，水轮机开始稳定运行。
3)
叶轮前后速度差最大，动能利用充分，并且安放角越小，叶轮对周围流体扰动越明显，叶轮尾流区域旋涡较
多，旋涡带较广、且较为分散。
参考文献：
[1]
通过分析该水轮机在稳定状态下叶轮前后的速度与压力变化，在安放角为6。时叶片叶尖转速最大
张亮，尚景宏，张之阳，等
.
潮流能研究现状
2015——
水动力学
[J].
水力发电学报，
2016(2) :1-15.(ZHANG Liang
，
SHANG Jinghong, ZHANG Zhiyang
，
et al. Tidal current energ^^ update 2015-Hydrodynamics [J]. Journal of Hydroelectric
Engineering
，
2016(2)
：
1-15. (in Chinese))
[2] BALAKA R，RACHMAN A. Pitch angle effect for horizontal axis river current turbine[J]. Procedia Engineering
，
2012，50
(9)
：
343-353.
[3] LEE J H，KIM D H，RHEE S H，et al. Computational and experimental analysis of horizontal axis marine current turbine design
[C]// Proceedings of the International Symposium on Marine Propulsors. 2011.
[4] LAWSON M J，LI Y，SALE D C. Development and verification of a computational fluid dynamics model of a horizontal-axis tidal
current turbine[J]. Office of Scientific & Technical Inf'or^nation Technical Reports
，
2011
，
100( 100)
：
338a.
[5]
盛其虎，赵东亚，张亮
.
水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟
[J].
哈尔滨工程大学学报，
2014(4):389-394. (SHENG
Qihu，ZHAO Dongya，ZHANG Liang. A design and numerical simulation of horizontal tidal turbine [J]. Journal of Harbin
Engineering University
，
2014(4)
：
389-394. (in Chinese))
[6] HARRISON M E，BATTEN W M J，MYERS L E，et ison between CFD simulations and experimentsfor predicting the
far wake of horizontal axis tidalturbines[J]. IET Renewable Power Generation
，
2010
，
4(6)
：
613.
[7]
廖微，王兵振，张巍，等
.
水平轴潮流能水轮机数值模拟方法对比分析
[J].
海洋技术学报，
2016(1)
：
113-117.(LIAOWei
，
WANG Bingzhen，ZHANG Wei，et al. Comparative analysis on the numerical simulation methods for horizontal axis tidal current
turbines[J]. Journal of Ocean Technology
，
2016(1)
：
113-117. (in Chinese))
[8] SINGH P M
，
CHOI Y D. Shape design and CFD analysis on a 1MW-class horizontal axis tidal current turbine blade[ C]//
Proceedings of the IOP Conference Series
：
Materials Science and Engineering. IOP Publishing
，
2013
：
66-71.
[9]
何煜平，杨建民
.
水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析
[J].
海洋工程，
2013,31(2)
：
74-81. (HE Yuping，YANG
Jianmin. Blade designing and property analysis of a horizontal axis current turbine[J]. The Ocean Engineering
，
2013,31(2
)：
74-81. (in Chinese))
[10]
胡琪，曾良才，蒋林
.
基于动网格的旋转液压伺服关节动态特性研究
[J].
液压与气动，
2014
，（
2)
：
39-43. (HU Qi，ZENG
Liangcai，JIANG Lin .Dynamic characteristics of rotaiy hydraulic sen，o joint based on dynamic mesh[J].Chinese Hydraulics and
Pneumatics
，
2014
，（
02)
：
39-43. (in Chinese))
[11]
蒋勇其，程永光，尤建锋
.
水斗式水轮机启动过程
CFD
模拟分析
[J].
水电能源科学，
2017(1)
：
172-176. (JIANGYongqi
，
CHEN Yongguang，YOU Jianfeng .CFD simulation of starting process of pelton turbine [J].Water Resources and Power，2017
(1)
：
172-176. (in Chinese))
[12]
罗庆杰，张亮，孙科
.UDF
控制滑移网格方法在摆线式直叶水轮机性能预报中的应用
[C]//
中国可再生能源学会海洋能
专业学术委员会成立大会暨第一届学术讨论会论文集
.2008
：
124-132.(LUO Qingjie，ZHANG Liang，SUN Ke. The
application of udf controlled sliding meshes model on the hydrodynamic performance prediction of cycloidal turbine[C] //The
First Academic Symposium on Marine Energy Professional Committee of China Renewable Energy Society Proceeding. 2008
：
124-
132. ( in Chinese) )
2024年4月16日发(作者：功彗)
第
36
卷第
2
期
2018
年
3
月
文章编号：
1005-9865 (2018) 02-0119-08
THE OCEAN ENGINEERING
洋工程海
Vol.36No.2
Mar. 2018
基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转
水动力性能研究
陈文鹏，刘胤超，陈立卫
(杭州江河水电科技有限公司，浙江杭州310012)
摘要
:
针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题，基于
Fluent 17.0,
运用
UDF(User Defined Function
)控制滑移网格对网格进行
动态调整，仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析，结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放
角度的增加，尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小，叶片安放角为
6°
时，叶轮前后速度差最大，对潮流能利用充分，
且各项性能均达到最佳
;
通过分析叶片受力，叶尖叶素在安放角为
2°
时阻力最大
,3°
时升力最大，升阻比在
6°
时最大，此时叶
尖叶素升阻比
C,/C
d
=6.27
、攻角
a = 3.06°
。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由
5
个阶段组成，即加速度增大
的加速运动段一加速度减小的加速运动段一加速度反向增大的减速运动段一加速度反向减小的减速运动段一稳定运行段，
这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。
关键词
:
水平轴
;
潮流能水轮机
;
被动旋转
;UDF;
安放角;水动力性能
中图分类号：
P743
文献标志码：
A D0I:10.16483/.1005-9865.2018.02.014
Study on hydrodynamic performance of horizontal tidal turbine
rotating passively based on UDF
CHEN
Wenpeng
,
LIU
Yingchao
,
CHEN
Liwei
(Hangzhou Jianghe Hydro-Electric Science and Technology Co.
，
Ltd.，Hangzhou 310012
，
China)
Abstract
：
Aiming at the problem of horizontal tidal turbine rotating passively, and using UDF(User Defined Function) to control the
sliding mesh to adjust grid dynamically by Fluent 17.0，the hydrodynamic performance of passive rotating for various pitch angles w，as
studied. Results show that with pitch angel increasing, all of its tip speed ration, output power and energ^^-catching coefficient increase
first and then decrease, the velocity difference is much larger in front and at back of the rotor for 6°pitch angle, the use of velocity
energy is sufficient, and they are all optimum for 6° pitch angle. Analyzing the force of Blade-tip airfoil shows that its maximum drag is
at 2° pitch angle, maximum lift is at 3°pitch angle ，optimal lift-drag ratio is 6.27 at 6° pitch angle and its attach angle is 3.06. The
starting-up process of turbine has five phases
：
accelerating motion of angular acceleration increasing，accelerating motion of angular
acceleration decreasing，accelerating motion of negative angular acceleration increasing，accelerating motion of negative angular
acceleration decreasing and stability, which is of guiding significance to the design of tidal turbine.
Keywords
：
horizontal tidal turbine
；
rotating passively
；
UDF
；
pitch angle
；
hydrodynamic performance
潮流能是海洋能的一种，是伴随着潮汐现象产生的有规律的海水水平运动所包含的动能。随着社会的
发展，资源短缺、环境污染等矛盾日益突出，潮流能作为一种高能量密度、储备丰富、可再生的资源受到各国
政府的重视[1]。水平轴潮流能水轮机作为一种能量转换的装置，与水平轴风力机原理相近，具有输出功率
收稿日期：2017-08-04
基金项目：水平轴自变距潮流能工程样机设计定型（
ZJME
2013
ZB
02)
作者简介：陈文鹏（ 1989-),甘肃临洮人，男，工程师，主要从事潮流能发电装置研究。
E
-
:
cwplee
@163.
120
海 洋 工 程
第36卷
稳定、捕能系数较高、启动容易、转矩波动较小、运行高速的特点[2]。
叶素-动量理论和
CFD
方法已经广泛运用于水平轴潮流能水轮机的水动力性能分析[3-4]。赵东亚等采
用
CFD
对设计的水平轴潮流能水轮机在不同尖速比下进行功率特性分析，分析结果表明:水轮机的输出功
率是由叶片中间部分产生，并且该段受三维影响较小[5]。：
Harrison
等利用实验和
CFD
方法分别对水平轴潮
流能水轮机进行了研究，结果表明:在流动分离和涡流存在区域，数值计算与实验计算的功率系数相差较大，
但是两者安放角与尖速比之间的关系又比较吻合[6]。廖微等对比分析了叶素-动量理论和
CFD
方法在水平
轴潮流能水轮机性能分析中的准确性和适用性，研究结果表明:采用动量-叶素理论和
CFD
方法均能较为准
确的分析水轮机的性能，且
CFD
的计算精度要高于叶素-动量理论的计算精度[7]
。Singh
P
M
等利用叶素动
量理论、
X-Foil
软件开发的源代码，研究叶片形状对水翼型的影响，最后利用
CFD
软件优化叶轮几何模型，
优化后的3叶片模型最高功率系数达46%[8]。何煜平等利用叶素-动量理论设计了 150
kW
水平轴潮流能
发电机叶片，并预测了不同安放角下的水动力性能，最后通过
CFD
方法和理论方法验证了叶素-动量理论的
水平轴海流能叶片设计方法是有效的[9]。但利用叶素-动量理论设计潮流能水轮机，并且进行被动计算的
研究较少。
针对潮流能水轮机被动旋转的问题，本文运用三维
CFD
方法，
Fluent
17.0滑移网格模型，利用宏
DEFINE
_
Z
0
NE
_
M
0
TI
0
N
与函数
Compute
_
F
〇
rce
_
And_Moment
[10]建立转子受力和运动方程，通过
UDF
函数计算转速
控制方程和滑移网格，对网格进行动态调整，模拟水平轴潮流能水轮潮在海流作用下的被动旋转[11-12]。
1理论介绍
1.1水翼的概念
1)叶尖速比。叶尖速比简称为尖速比，叶片叶尖
的线速度^与来流速度〃之比。
V
2
nRn
A =—=-----
v 60 v
(1)
式中
：V
为叶片叶尖线速度
（m
/
s
);
v
为来流速度
(
m
/
s);n
为叶轮转速(
r
/
min);R
为叶轮转动半径(
m
)。
2) 安放角心从图1翼型的概念及受力分析可
看出，叶轮旋转平面与翼弦所成的角^称为叶片安放
角。本文叶片为无扭曲直叶片，因此沿翼展方向不同位
图
1
水翼概念及受力分析
Fig. 1 Concept and force for hydrofoil
1.2翼型受力分析
置的安放角都相同。
3) 攻角
a
。翼弦与相对流速所成的角称为攻角。
如图1，叶片所受流体总动力可以分解在相对流速方向的一个力〜，称为阻力;另一个垂直于阻力〜的
力，称为翼型升力^，&就是静止的叶片在流速为
v
的作用下，使叶片旋转的力。
F
=
2 pCr
Sy
v
fd
=
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
f
CD
SyV
1
fl
=
yP
CL
Sy
v
2
F2 =F
D
+
F
2
L
C
2 =
CD
+
c
L
定义潮流能水轮机获得的有效功率为
P
，捕能系数为
Cp
，计算公式如下：
w
P
=M
•
C
p
~~
"0.
5
pv
3
Sy
P
y
式中:
P
为流体密度;
v
为来流速度;
Q
为流体动力系数;
Q
为阻力系数;
Q
为升力系数;为叶片扫掠面积。
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
121
1.3
UDF
介绍
用户自定义函数或
UDF
是用户自编的程序，它可以被动态地连接到
Fluent
求解器上来提高求解器性
能，用户自定义函数用
C
语言编写。
UDF
使用时可以被当作解释函数或编译函数，解释函数在运行时读入
并解释,而编译
UDF
则在编译时被嵌入共享库中并与
Fluent
连接，解释
UDFS
用起来简单，但是有源代码和
速度方面的限制。编译
UDF
执行起来较快，也没有源代码限制，但设置和使用较为麻烦。
标准的
FLUENT
界面并不能满足每个用户的需要,
UDF
的使用可以定制
Fluent
代码来满足用户的特殊
需要。关于旋转机械模拟的问题,
Fluent
提供了设定确定转速的模拟方法，对于水轮机等被动旋转的机械,
Fluent
提供了动网格模型，但动网格模型对网格要求较高,计算过程中极易出现负网格，并且每个计算过程
都需要对各个参数进行多次调节,对计算结果影响较大,计算时间较长。对于不同模型、不同工况下的模拟,
计算量巨大。
Fluent
中的滑移网格能够保持较好的网格质量,可以最大限度的代替动网格，尤其是对于一些
分界面确定的计算模型，滑移网格可以用于瞬态模拟。本文利用宏
DEFINE
_
ZONE
_
MOTION
和
C
〇
mPute
_
Force
_
And
_
Moment
函数编写潮流能水轮机被动旋转的程序,然后在
Fluent
中进行
UDF
编译,最后利用滑移
网格进行计算。
1.3.1
DEFINE
_
ZONE_MOTION
宏
DEFINE
_
ZONE_MOTION
(
name
,
omega
,
axis
,
origin
,
velocity
,
time
,
dtime
)有七个参数，其中角速度
Io
mega
、轴
axis
、形心
origin
、速度
velocity
、时间
time
和
dtime
通过
Fluent
求解器传递给所编写的
UDF
, 该宏中需
要指定运动域和运动方向。
1.3.2
Compute
_
Force
_
And_Moment
函数
Compute
_
Force
_
And_Moment
(
domain
,
til
,
origin
,
:(」)()dy
,
m」)ody
,
TRUE
)共六个参数，其中
domain
指计算域;
tf
1是面索引，即需要计算受力的面;
origin
为形心位置,
f
_
body
与
m
_
body
指在惯性系下的力与力
矩。
TRUE
与
FALSE
是逻辑类型的量,
TRUE
为1,则
host
调用函数;
FALSE
为0,则
host
不调用函数。
2数值建模
2.1叶轮几何参数
潮流能水轮机叶轮几何参数如表1所示。
1
潮流能水轮机叶轮几何参数
Tab. 1 Prototype parameters of tidal turbine
表
参数
设计功率
P/kW
设计转速
ft/( r . min_l)
叶轮直径
fl/m
叶片数
S
量值
参数
设计流速
^/( m • s_1 )
叶片长度
i/m
扫掠面积
Sy/m2
量值
90
15
10.857
4
2
4.5
92.53
2.2三维模型建立与网格划分
图2为开放流场示意图,转子流场直径10.9
m
,经过计算分析，确定开放外流场进出口距离转子中心
分别为1.5
fl
与3
fl
,开放外流场直径为5
fl
。
运用
ICEM-CFD
17.0对模型进行网格划分，如图3所示，其中转子区域采用自适应性很强的非结构化网
格，在曲率较大的地方进行网格加密，最低网格质量为0.35。开放外流场采用六面体结构化网格，最低网格
质量为0.85。转子流场和开放流场之间通过
interface
面传递流量与能量。
2.3网格无关性检验
表2为叶轮安放角为4。、潮流速度为^ = 2
m
/
s
时，通过
Fluent
软件计算出不同网格数下的尖速比。
122
海 洋 工 程
第36卷
图
2
流场模型
表
2
图
3
网格模型
Fig. 2 Flow model of tidal turbine
Fig. 3 Mesh model of tidal turbine
不同网格数下尖速比
Tab. 2 Tip speed ratio for different numbers of grids
网格数（百万）
尖速比
A
9.52
4.296
12.41
4.488
14.02
5.046
15.5
5.379
16.7
6.058
17.25
6.053
20.13
6.069
24.36
6.056
26.92
6.067
从表2中可以看出网格数少于1 670万，随着网格数的
增多尖速比逐渐增大，大于1 670万时尖速比都在6.06左
右，变化很小。考虑工作站
HP
Z
640计算速度快慢及计算
精度，模型网格数选择1 725万，其中转子网格为985万，开
放外流场网格为740万。
2.4叶轮瞬时运动过程计算描述
在流场计算过程中，需要给出叶轮在水流作用下的动
态变化过程，因此需要给定叶轮运动方程。
转子在水流的作用下转动，瞬时角速度为〜，发电机组
的转动惯量为/，转子获得力矩为负载力矩为7；，机械阻
力矩为匕，则发电转子的动力学关系为
d
m
J
~^ =
7_Te_Tm
_
Bsgn
(
M
、
m
(8)
式中^为发电机对转子转动的阻尼系数，物理意义为角加速度
m
增加
A
m
后，发电机电磁转矩下降
A
7
s
，其
值随着转速的增加而减小，
sgn
(
M
)
=
Bsgn
(
M
)
M
。因此，叶轮瞬时运动过程为：
d
m
M
，表示
m
的方向，在本文计算中加载额定负载力矩，暂不考虑
(9)
(10)
M
=
M
+
dM
运用
UDF
与式(9)、式（10)编写程序，计算的基本思想如图5所示。
个
S
I
____________________________^
由
式
度
角
速
o
回
到
Flu
解
器
中
C
(10
Fluent
计算流程
Fig. 5 Computational process of Fluid
通过图5的循环计算，可以得到稳定状态下的角速度〜，再进行后处理，就可以得到叶轮的捕能系数&、
输出功率'尖速比
A
以及叶尖叶素的升力心、阻力〜、升阻比与攻角
a
。
2.5计算方法
潮流能水轮机转子运动为复杂的三维非定常粘性流动，数值模拟求解雷诺时均
Navier-Stokes
方程，采用
标准
k
湍流模型和
SIMPLE
压力速度耦合算法，压力项采用
Second
-
Order
，其余采用
Second
-
Order
-
Upwind
。
图
5
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
123
指定进口速度为2
m
/
s
，并设定湍动能和湍流耗散率，出口为压力出口。转子表面和轮毂，满足速度无
滑移条件，固壁面附近流动采用标准壁面函数确定。
转子负载扭矩7；，按照设计功率90
kW
与设计转速15
r
/
min
，计算得到7； = 57 325
Nm
，机械阻力矩由轴
承等机械摩擦引起，取匕=675
Nm
。
由于需要根据水流作用在叶轮叶片上力矩确定转子的转速，所以需要在流场计算过程中，首先利用
UDF
中的函数
C
〇
mPute
_
F
〇
rce
_
And
_
M〇ment
计算出转子上的扭矩，然后代入式（2)计算出转子的角速度，再
将转子角速度调入滑移网格流场求解器中，进行下一步计算。
3数值模拟结果及分析
潮流能水轮机的捕能系数与安放角有关，通过模拟不同安放角下水轮机的运动，计算潮流能水轮机的转
速心捕能系数
Cp
、功率'尖速比
A
以及叶尖叶素升力心、阻力心、升阻比
Q/Q
与攻角
a
，研究安放角对叶
轮水力性能的影响。
3.1安放角叶轮外特性的影响
图6为通过
UDF
计算得到不同安放角下叶轮的转速，在负载扭矩下，随着安放角的增大，叶轮转速先增
大后减小，0 = 2° ~ 10°时，转速都大于15
r
/
min
，0 = 6°时转速最高
，n
= 21.77
r
/
min
，安放角越大，叶片受到的阻
力越大，转速下降。^ = 20。时，转速^= 10.09
r
/
min
，仅为最大转速的46.35%。叶轮输出功率随着安放角沒的
增大先增大后减小'=2。~10。时，功率都大于90
kW
' = 6°时，功率
P
=132.2
kW
达到最大，0 = 20。时，功率
仅为61.3
kW
。叶片安放角越小，叶轮自启动越困难，安放角越大叶轮自启动越容易，但安放角增大叶轮的
转速和输出功率急剧下降。因此合适的安放角对叶轮的转速和输出功率有重要的影响。
图7为叶轮的捕能系数和尖速比变化曲线，从图中可以看出叶轮捕能系数和尖速比同样随着安放角的
增大先增大后减小，安放角在0 = 6°时达到最大，捕能系数
C
p和尖速比
A
分别为34.86%与6.27。
图
6
叶轮在不同安放角下的功率与转速
图
7
不同安放角下的捕能系数与尖速比曲线
Fig. 6 Power and speed for various pitch angles
3.2叶尖叶素受力分析
Fig. 7 Energy-cateWng coefficient and Up speed rado for various
pitch angles
图8为叶尖叶素在不同安放角的升力、阻力以及升阻比，从图中可以看出随0增大，升力&先增大后减
小，0 = 3°时升力最大，心=283.7
kN
。随着安放角的增大，阻力一直减小，在0 = 2°时阻力最大，〜=48.3
kN
。
而升阻比在安放角0 = 6°时最大
，C
/
C
d
= 6.27。
(
。
¥
聢
每
4
图
8
叶尖叶素在不同安放角下的升阻力与升阻比
图
9
安放角0/(°)
8 12 16 20
叶尖叶素在不同安放角下的攻角
Fig. 8 Lift
，
drag and lift-to-drag ratio of tip airfoil for various
pitch angles
Fig. 9 Angle of attack of tip airfoil for various pitch angles
124
海 洋 工 程
第36卷
图
9
为不同安放角时叶尖叶素的攻角，在小安放角时，叶素攻角较大，叶素处于失速状态，升力较大，阻
力也较大，升阻比较小，因此，叶轮的转速〃、捕能系数
&
、功率尸、尖速比
A
都较小。安放角越大，叶素的攻
角越小，
0=15
。时叶尖叶素攻角
a = -0.38
。，出现负攻角，此时捕能系数更低，输出功率更小。由于是对称叶
素，攻角为
a = 0
。时，叶素升阻比并不是最大，而在安放角
0 = 6
。，攻角
a = 3.06
。时，此时升阻比最大，叶轮捕能
系数、输出功率、尖速比都达到最大。
3
.
3
0
= 6
。
叶轮启动过程监测曲线分析
图
10
为叶轮启动过程扭矩监测曲线，在阶段
1
，叶轮捕获的扭矩迅速增加，
0.24 s
时，达到最大，此时叶
轮做角加速度增大的加速运动，此过程叶轮捕获能量较多，但波动明显，振动较大
;
在阶段
2,
叶轮捕获的
dt
扭矩逐渐减小，但仍大于外负载力矩，此时叶轮做角加速度
d^
减小的加速运动
;
在阶段
3,
叶轮捕获的扭矩
dt
继续减小，
0.7 s
时达到最小，为
37.2 kN • m
，此时叶轮做角加速度
d~
反向增大的减速运动
;
在阶段
4,
叶轮
dt
捕获扭矩开始增大，但仍小于负载力矩，叶轮做反向加速度减小的减速运动
;
在阶段
5,
叶轮运动趋于稳定，
在
13 s
以后，叶轮运动已经达到稳定状态，叶轮获得的扭矩与外负载力矩相平衡，此时叶轮已旋转过
6.5
转。
图
10
启动过程中扭矩曲线
Fig. 10 Torque of rotor during starting period
(
7
s
.
p
m
)
/
3
«
s
c
图
11
启动过程中角速度曲线
Fig. 11 Angular velocity of rotor during starting period
图
11
为启动过程中叶轮角速度监测曲线，可以
看出随着叶轮旋转，叶轮呈现先加速后减速的运动
状态，在
0.58 s
时角速度达到最大，为
4.05 rad/s
，最
后达到稳定值
2.28 rad/s
。
图
12
为叶轮自启动过程中的输出功率监测曲
线，随叶轮旋转，功率先增大，在
0.36 s
时达到最大，
然后减小，到
0.74 s
时功率出现第一个极小值，然后
有小幅度震荡，最后稳定于
132.2 kW
。
图
12
启动过程中功率曲线
Fig. 12 Power of rotor during starting period
3
.
4流场分析
叶轮旋转轴为
F
轴，以
F0Z
建立流场中截面，即
为图
2,
选取潮流能水轮机叶片安放角
0 = 3
。
' = 6
。以
及沒
=8°
进行速度场和压力场分析。
3.4.1
速度流线图分析
图
13
给出了安放角
0 = 3
。乂
= 6
。与
0=8
。的速度流线，由图可知，安放角较小，叶轮尾流区域旋涡明显、
旋涡带区域较大。这是由于叶片攻角较大，处于失速状态，叶片边界层流动被破坏，因此在叶片背面尾端出
现大量旋涡，能量耗散增大。从
0=8
。速度流线上看出，叶轮尾流区域旋涡明显小于安放角，但尾流区的速度
明显高于安放角为
6
。与
3
。的尾流区速度，能量利用不充分。安放角
0 = 6
。时叶轮尾流区流态较稳定，旋涡较
少，并且尾流速度很低，叶片叶尖线速度较高，叶轮前后流体的速度差较大，这说明
0 = 6
。时，叶轮能量耗散率
较低，动能利用充分。
第2期陈文鹏，等:基于
UDF
的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究
125
0.24 3.37 6.50 9.64 12.77
Velocity streamine 1 (m s ])
(a)
，
3
°速度流线
Velocity streamine 1 (m s ')
(b) &6
°速度流线
0.02 3.42 6.82 10.22 13.62
■ ■
0^1
3.35 6.29 9.24 12.18
Velocity streamine 1 (m s ])
(c) *8
°速度流线
图
13
不同安放角下速度流线
Fig.
13 Velocity streamlines for various pitch angles
3.4.2
速度分析
图
14
为不同安放角中截面速度云图
，
从中可以看出
，
安放角较小时
，
叶轮旋转对周围流体扰动最为明
显
，
在尾流中心及两侧均有较多的低速区
，
且流体速度梯度较大
，
在离叶轮中心
3
倍的距离流态开始恢复
。
三种情况速度最大值均在叶片叶尖处
，
0
= 6°
时叶片叶尖线速度最大
，
叶轮前后速度差也最大
。
图
14
不同安放角下中截面速度云图
Fig. 14 Velocity contour for various pitch angles in middle plane
3.4.3
压力分析
从中截面压力云图
15
可以看出
，
流体经过叶轮后压力发生了明显的变化
，
其中在叶轮正前方
，
压力都较
大
，
这是流体冲击作用造成的
。
安放角为
3°
时
，
由于叶片正对流体
，
迎流面积较大
，
叶轮对流体流动阻碍较大
，
流体对叶轮的冲击作用
明显
;
在安放角为
6°
时
，
受旋转效应的影响
，
流体较安放角为
8°
时更易通过叶轮
，
因此安放角为
8°
时叶轮对
流体流动的阻碍更明显
，
流体对叶轮的冲击作用更强
。
在叶轮尾流区和叶尖部分区域产生了负压
，
极易发生
气蚀现象
。
三种安放角下压力最大值和最小值的位置基本相同
'
= 6°
时中截面上压力最大值均小于其它安
放角的压力最大值
，
压力最小值均大于其它安放角的压力最小值
。
压力极小区都在叶轮的尾流区域
，
安放角
为
3°
时压力极小区离叶轮中心最远
，
面积最大
，
负压区最分散
;
安放角为
6°
时压力极小区离叶轮中心最近
，
负压区较为集中
，
随着远离叶轮
，
流态逐渐恢复
。
126
海 洋工程
第36卷
4结语
1) 运用叶轮运动方程、
UDF
程序及
Fluent
滑移网格模型，对水平轴潮流能水轮机进行被动计算,在设
流速
r
= 2
m
/
S
下,潮流能水轮机在叶片安放角0 = 6°时叶轮的稳定转速
re
= 21.77
r
/
min
,尖速比
A
= 6.27,功率
P
=132.2
kW
,捕能系数
Cp
= 34.86%。各项性能指标均达到最佳，因此在设计流速下，选择0 = 6。为最佳安
放角。
2) 该水轮机在启动初始阶段捕获的能量较多，但波动明显,机组振动较大,水轮机处于湍振阶段，湍
时间约为2
s
，时间较短。运行时应避开此工作点。随着叶轮继续旋转,转速达到最大,此时叶轮捕获扭矩迅
速减小，水轮机做减速运动，直至叶轮捕获的力矩与负载力矩平衡,转速达到平稳，水轮机开始稳定运行。
3)
叶轮前后速度差最大，动能利用充分，并且安放角越小，叶轮对周围流体扰动越明显，叶轮尾流区域旋涡较
多，旋涡带较广、且较为分散。
参考文献：
[1]
通过分析该水轮机在稳定状态下叶轮前后的速度与压力变化，在安放角为6。时叶片叶尖转速最大
张亮，尚景宏，张之阳，等
.
潮流能研究现状
2015——
水动力学
[J].
水力发电学报，
2016(2) :1-15.(ZHANG Liang
，
SHANG Jinghong, ZHANG Zhiyang
，
et al. Tidal current energ^^ update 2015-Hydrodynamics [J]. Journal of Hydroelectric
Engineering
，
2016(2)
：
1-15. (in Chinese))
[2] BALAKA R，RACHMAN A. Pitch angle effect for horizontal axis river current turbine[J]. Procedia Engineering
，
2012，50
(9)
：
343-353.
[3] LEE J H，KIM D H，RHEE S H，et al. Computational and experimental analysis of horizontal axis marine current turbine design
[C]// Proceedings of the International Symposium on Marine Propulsors. 2011.
[4] LAWSON M J，LI Y，SALE D C. Development and verification of a computational fluid dynamics model of a horizontal-axis tidal
current turbine[J]. Office of Scientific & Technical Inf'or^nation Technical Reports
，
2011
，
100( 100)
：
338a.
[5]
盛其虎，赵东亚，张亮
.
水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟
[J].
哈尔滨工程大学学报，
2014(4):389-394. (SHENG
Qihu，ZHAO Dongya，ZHANG Liang. A design and numerical simulation of horizontal tidal turbine [J]. Journal of Harbin
Engineering University
，
2014(4)
：
389-394. (in Chinese))
[6] HARRISON M E，BATTEN W M J，MYERS L E，et ison between CFD simulations and experimentsfor predicting the
far wake of horizontal axis tidalturbines[J]. IET Renewable Power Generation
，
2010
，
4(6)
：
613.
[7]
廖微，王兵振，张巍，等
.
水平轴潮流能水轮机数值模拟方法对比分析
[J].
海洋技术学报，
2016(1)
：
113-117.(LIAOWei
，
WANG Bingzhen，ZHANG Wei，et al. Comparative analysis on the numerical simulation methods for horizontal axis tidal current
turbines[J]. Journal of Ocean Technology
，
2016(1)
：
113-117. (in Chinese))
[8] SINGH P M
，
CHOI Y D. Shape design and CFD analysis on a 1MW-class horizontal axis tidal current turbine blade[ C]//
Proceedings of the IOP Conference Series
：
Materials Science and Engineering. IOP Publishing
，
2013
：
66-71.
[9]
何煜平，杨建民
.
水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析
[J].
海洋工程，
2013,31(2)
：
74-81. (HE Yuping，YANG
Jianmin. Blade designing and property analysis of a horizontal axis current turbine[J]. The Ocean Engineering
，
2013,31(2
)：
74-81. (in Chinese))
[10]
胡琪，曾良才，蒋林
.
基于动网格的旋转液压伺服关节动态特性研究
[J].
液压与气动，
2014
，（
2)
：
39-43. (HU Qi，ZENG
Liangcai，JIANG Lin .Dynamic characteristics of rotaiy hydraulic sen，o joint based on dynamic mesh[J].Chinese Hydraulics and
Pneumatics
，
2014
，（
02)
：
39-43. (in Chinese))
[11]
蒋勇其，程永光，尤建锋
.
水斗式水轮机启动过程
CFD
模拟分析
[J].
水电能源科学，
2017(1)
：
172-176. (JIANGYongqi
，
CHEN Yongguang，YOU Jianfeng .CFD simulation of starting process of pelton turbine [J].Water Resources and Power，2017
(1)
：
172-176. (in Chinese))
[12]
罗庆杰，张亮，孙科
.UDF
控制滑移网格方法在摆线式直叶水轮机性能预报中的应用
[C]//
中国可再生能源学会海洋能
专业学术委员会成立大会暨第一届学术讨论会论文集
.2008
：
124-132.(LUO Qingjie，ZHANG Liang，SUN Ke. The
application of udf controlled sliding meshes model on the hydrodynamic performance prediction of cycloidal turbine[C] //The
First Academic Symposium on Marine Energy Professional Committee of China Renewable Energy Society Proceeding. 2008
：
124-
132. ( in Chinese) )