船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGD01：10.3963/j.issn.1671-7953.2016.SI.027低流速水流小型发电机CFX数值仿真及样机研制潘诚，张杰，覃祥孝,梁借(长江三峡通航管理局，湖北宜昌443000)摘要:针对在低流速水流中捕获水流能并转化为电能输出的问题，采用ANSYSCFX流体力学仿真软件运用数值模拟的方法，建立发电机桨叶与水体的流固耦合模型，计算分析不同水流流速下的发电机桨叶的表面的压力，从而获取主轴的转矩值和理论转速，在此基础上完成发电机主要部件的选型、结构设计和试制工作。低流速水流小型发电机样机经加工现场水密测试、船模实验室测试和航标标志船现场测试等多项试验,样机水密性能良好，能够在较低水流流速下启动工作，实测启动流速为0.6m/s,该流速下样机的输出平均功率为1.28W。关键词:低流速水流;小型水流发电机;数值模拟;流固耦合计算中图分类号:U665.11文献标志码:A文章编号：1671-7953(2016)Sl-0117-05目前，我国拥有逾10万km的内河航道，其中包含了大量的山区等级航道，而山区河流航道拥有大量标识航道的航标标志船。对于山区等级航标而言，因太阳辐射时间问题致使太阳能电池使用受限，航标主要采用铅酸蓄电池供电方式来获得电能，铅酸蓄电池需要人工定期维护、更换，工作量大，使用寿命到期后,如果管理不当，极易造成环境污染在山区等级航道一般拥有较稳定的低流速水流,将水流能进行获取并转化为电能,可以有效的解决传统铅酸蓄电池的维护等繁重的工作。当前水流能的众多研究主要关注在大型海流上,对内河低流速水流能的利用的研究非常少，大多停留在概念设计阶段。利用流体力学软件AN.SYSCFX软件运用数值模拟的方法，研究分析叶轮在水流中的主轴所受转矩和理论转速,在此基础上完成了低流速水流小型发电机的主要部件的选型、结构设计和试制工作,发电机样机经多项试验测试,其水密性能良好,能够在较低水流流速下启动工作输出电能，可以作为航标标志船或者水上低功率设备提供稳定可靠的电源。收稿日期：2016-08-12修回日期:2016-09-12基金项目：交通运输建设科技项目(2011-328-201-1430)第一作者简介:潘诚(1980-),男，硕士，高级工程师研究方向：枢纽通航方向电气控制E-mail:youguo_ren@163.com1低流速水流小型发电机方案设计经多次简化试算和结构方案比选，发电机初步设计方案采用水平轴流转桨式结构”勺，见图lo其中，桨叶叶轮主尺寸参数见表1。由于桨叶叶轮在低流速水流较小的情况所能获得的水流能有限,考虑到发电机启动转速和额定负荷输出转速的要求，初始设置变比为1:5的增速器以提高发电机效率。图1低流速水流小型发电机初步设计方案表1桨叶叶轮参数桨叶尺度参数叶轮直径/cm100叶片数量/片3叶片长度/cm90叶片宽度/cm15叶片倾角/(。)30主轴直径/cm202桨叶水流能计算2.1叶轮转矩和转速计算为了使三桨叶轮捕获水流能的能力，利用有进行分析，计算出桨叶在低流速水流下的转矩大小和转速，以对优化叶轮主尺寸参数进行优化。具体过程为:利用PTCCreoCAD软件建立叶轮实体模型，将实体几何模型导入至ANSYSCFX流体力学软件，划分单元并建立流固耦合有限元计算模型⑹，见图2。模型的边界条件。流体为水，水体壁面按光滑壁面处理并采用无滑移壁面边界条件，流体入口边界设置水流流速，出门边界设为压力0Pa,周围为采用k-e湍流模型;叶轮主轴底部采用固定支座;设置叶轮表面展性为流固耦合界面。其中水流流速边界条件为0.4-2m/s,设置不同水流流速边界条件后计算求解，可得到桨叶周围流场式中：7—转矩；J——转动惯址；切——转动角速度；k——阻尼系数。当桨叶匀速旋转时，即学=°，则T=ko)=2irkn(2)当“=0.5m/sHttT=6.91N•m,阻尼系数A取1,则Tn==66r/min3.2功率计算类比风力发电机功率计算，轴流转桨式低流(矢量图)和桨叶表面所受压力见图3和图4。通过耦合计算结果后处理分析后，可获得桨叶在不同水流流速下叶轮主轴所获取的转矩大小，见表2。0.30060(m)0)5045图3桨叶周围流场(矢量图)图4桨叶表面所受压力P=~p^C,(3)式中:P——发电功率；P—水的密度；S―叶轮迎水面积；—水流流速；Cp——利用系数。参阅浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制的“水下风车”相关实验数据，&...