基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

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，Fluent17.0滑移网格模型，利用宏DEFINE＿ZONE＿MOTION与函数Compute＿Force＿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

  

图1 水翼概念及受力分析Fig.1 Concept and force for hydrofoil

1)叶尖速比。叶尖速比简称为尖速比，叶片叶尖的线速度u与来流速度v之比。

 

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θ。从图1翼型的概念及受力分析可以看出，叶轮旋转平面与翼弦所成的角θ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置的安放角都相同。

(2)以车厢内温度的温度差、电池荷电情况以及整车负载的电流大小等数据为参考，通过智能控制算法、神经网络、模糊控制以及车联网等技术的应用，调节执行器、风机转速、风门开度以及压缩机的输出功率，监测车辆的运行状态，充分实现空调控制系统的智能化以及人机交换系统的构建。

1.2 翼型受力分析

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FD，称为阻力；另一个垂直于阻力FD的力，称为翼型升力FL，FL就是静止的叶片在流速为v的作用下，使叶片旋转的力。

 

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:

在城市排水管道检测方面，闭路电视系统检测技术具有智能化作用，可以通过判读与人工识别等方式对管道缺陷进行研究。因为闭路电视系统人工判读功能还不够成熟，所以在实际排水管道缺陷检测过程中需要应用计算机技术建立知识库，通过知识库系统智能判读缺陷位置，从而提高管道检测质量。进入式机器人技术是闭路电视系统检测中的一部分，能够通过技术创新代替人工检测，避免工作人员检测过程中受到生命威胁。在进入式机器人技术应用方面，技术人员首先需要对这种技术进行改造，提高机器人技术适应能力，解决静态水行走问题。

 

式中:ρ为流体密度；v为来流速度；Cr为流体动力系数；CD为阻力系数；CL为升力系数；Sy为叶片扫掠面积。

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。

制定具体的急救护理流程以及风险管理体系，规范护理流程，对护理人员实行相应的急救流程以风险管理培训，落实具体的防范措施；院前接诊治疗要采取常规方式，接诊前要对患者的病情评估以及预先性的处理。首先将胸痛患者划分高危型胸痛和非高危型胸痛。患者资料需要在5分钟内获取，同时保障资料的准确性，对患者进行详细的体格检查。对于辅助检查，除了心电图检查以外，还需要对患者实行其他相应的检查，例如血常规、血生化、血气分析、心肌坏死标志物、D-二聚体以及胸部X线、血管CT、心超等检查，必要时行胸腹部CT增强或磁共振增强检查。

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。

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Compute＿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 omega、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， tf1， origin， f＿body ， m＿body ， TRUE)共六个参数，其中 domain指计算域；tf1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）干式变压器温升的主要原因是由变压器运行中所产生的损耗引起的。变压器运行时产生的损耗转化为热量，使温度升高，热量向周围以传导、对流和辐射的方式扩散。由于低压绕组处于铁芯和高压绕组的内部（如图1所示），其散热方式主要是通过气道内与空气的对流进行，但是由于气道内空气流速有限，故散热性能欠佳。而高压绕组处于外侧，不仅可以通过与空气对流散热，还可以采取辐射方式来散热，散热条件明显好于低压绕组。

 

表1 潮流能水轮机叶轮几何参数Tab.1 Prototype parameters of tidal turbine

  

参数　量值　参数　量值设计功率 P/kW　90　设计流速 v/(m˙s－1)　2设计转速 n/(r˙min－1)　15　叶片长度 L/m　4.5叶轮直径D/m　10.857　扫掠面积Sy/m2　92.53叶片数B　4

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D＝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1.5D与3D，开放外流场直径为5D。

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v＝2 m/s时，通过Fluent软件计算出不同网格数下的尖速比。

  

图2 流场模型Fig.2 Flow model of tidal turbine

  

图3 网格模型Fig.3 Mesh model of tidal turbine

 

表2 不同网格数下尖速比Tab.2 Tip speed ratio for different numbers of grids

  

网格数(百万)　9.52　12.41　14.02　15.5　16.7　17.25　20.13　24.36　26.92尖速比　λ　4.296　4.488　5.046　5.379　6.058　6.053　6.069　6.056　6.067

  

图4 不同网格数下尖速比Fig.4 Tip speed ratio for different number of grid

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 Z640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

2013年是极不平凡的一年，党的十八届三中全会吹响了全面深化改革的新号角。这一年，在水利部党组的坚强领导和关心支持下，长江委深入贯彻落实中央和水利部各项工作部署，紧密结合长江实际，着力加强治江基础工作，进一步完善新时期治江思路，认真履行流域管理职责，全力推进长江水利事业向前发展。

转子在水流的作用下转动，瞬时角速度为ω，发电机组的转动惯量为J，转子获得力矩为T，负载力矩为Te，机械阻力矩为Tm，则发电转子的动力学关系为

 

式中:B为发电机对转子转动的阻尼系数，物理意义为角加速度ω增加Δω后，发电机电磁转矩下降ΔTs，其值随着转速的增加而减小，表示ω的方向，在本文计算中加载额定负载力矩，暂不考虑Bsgn(ω)ω。因此，叶轮瞬时运动过程为:

(3)供电。包括贫困地区在内全国农村生活用电已经解决。贫困地区99.7%的自然村到2015年都通上了电，99.8%的农户用电照明。

 

图13给出了安放角θ＝3°、θ＝6°与θ＝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θ＝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θ＝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θ＝6°时，叶轮能量耗散率较低，动能利用充分。

  

图5 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ω，再进行后处理，就可以得到叶轮的捕能系数Cp、输出功率P、尖速比λ以及叶尖叶素的升力FL、阻力FD、升阻比CL/CD与攻角α。

2.5 计算方法

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，湍振时间约为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。

一声霹雳在我们的楼顶上炸响，余声隆隆，直向开发区那片荒芜的旷野滚去。我扭头看向窗外，只见风雨交加的夜晚黑漆漆的，狂风像一群想要攫取什么的黑手，忽然扯开了我们的窗扇。白丽筠忘了把窗户的插销插上，没想到狡猾的风竟然能把它吸开。肆虐的风发了疯似地摇撼着窗扇，把它吹得乒乒乓乓乱响，玻璃随时有震碎的可能。

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。

合作学习有利于在互动中提高学习效率，培养合作意识和团队精神。课堂中多鼓励学生积极参与讨论，倾听他人意见，学会沟通和分享快乐，同时小组内人人动手，以强带弱，可以提高整体水平。

转子负载扭矩Te，按照设计功率90 kW与设计转速15 r/min，计算得到Te＝57 325 Nm，机械阻力矩由轴承等机械摩擦引起，取Tm＝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Compute＿Force＿And＿Moment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n、捕能系数Cp、功率P、尖速比λ以及叶尖叶素升力FL、阻力FD、升阻比CL/CD与攻角α，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，θ＝2°～10°时，转速都大于 15 r/min，θ＝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。θ＝20°时，转速n＝10.09 r/min，仅为最大转速的46.35%。叶轮输出功率随着安放角θ的增大先增大后减小，θ＝2°～10°时，功率都大于 90 kW，θ＝6°时，功率 P ＝132.2 kW 达到最大，θ＝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。

石油企业作为我国现代化经济发展中较为重要的一类建设性企业，只有保障其企业建设中的管理因素协调安全，才能够保障石油企业更好地为人们提供服务。当前市场化经济运行体系下的石油企业绩效考核管理中，其对应的考核管理因素发生了改变，并且在绩效考核管理因素的控制过程中，对于企业自身性发展也出现了一定的影响。本文在研究中以价值管理HU绩效考核为准则，对整个石油企业绩效考核管理中的内生性要素进行了研究，对于提升石油企业整体性发展而言，具有重要意义。

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θ＝6°时达到最大，捕能系数Cp和尖速比λ分别为34.86%与6.27。

3)攻角α。翼弦与相对流速所成的角称为攻角。

  

图6 叶轮在不同安放角下的功率与转速Fig.6 Power and speed for various pitch angles

  

图7 不同安放角下的捕能系数与尖速比曲线Fig.7 Energy-catching coefficient and tip speed ratio for various pitch angles

3.2 叶尖叶素受力分析

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θ增大，升力FL先增大后减小，θ＝3°时升力最大，FL＝ 283.7 kN。 随着安放角的增大，阻力一直减小，在　θ＝2°时阻力最大，FD＝48.3 kN。而升阻比在安放角θ＝6°时最大，CL/CD＝6.27。

  

图8 叶尖叶素在不同安放角下的升阻力与升阻比Fig.8 Lift，drag and lift-to-drag ratio of tip airfoil for various pitch angles

  

图9 叶尖叶素在不同安放角下的攻角Fig.9 Angle of attack of tip airfoil for various pitch angles

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n、捕能系数Cp、功率P、尖速比λ都较小。安放角越大，叶素的攻角越小，θ＝15°时叶尖叶素攻角α＝－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α＝0°时，叶素升阻比并不是最大，而在安放角θ＝6°，攻角α＝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 θ=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，叶轮捕获的扭矩逐渐减小，但仍大于外负载力矩，此时叶轮做角加速度减小的加速运动；在阶段3，叶轮捕获的扭矩继续减小，0.7 s时达到最小，为37.2 kN˙m，此时叶轮做角加速度反向增大的减速运动；在阶段4，叶轮捕获扭矩开始增大，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

  

图11 启动过程中角速度曲线Fig.11 Angular velocity of rotor during starting period

  

图12 启动过程中功率曲线Fig.12 Power 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。

针对线性不一致等式系统Ax=b+w,Eldar等人同样证明了基于随机遍历的Kaczmarz迭代算法具有指数收敛率[11],即

3.4 流场分析

叶轮旋转轴为Y轴，以YOZ建立流场中截面，即为图2，选取潮流能水轮机叶片安放角θ＝3°，θ＝6°以及θ＝8°进行速度场和压力场分析。

3.4.1 速度流线图分析

运用UDF与式(9)、式(10)编写程序，计算的基本思想如图5所示。

  

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，θ＝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。

  

图15 不同安放角下中截面压力云图Fig.15 Pressure contour for various pitch angles in middle plane

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，θ＝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。

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，在设计流速v＝2 m/s下，潮流能水轮机在叶片安放角θ＝6°时叶轮的稳定转速n＝21.77 r/min，尖速比λ＝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θ＝6°为最佳安放角。

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-ε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。

3)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，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。

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参考文献:

3.预防：CD4+T淋巴细胞计数＜50个/μL的艾滋病患者需要给予预防性治疗，方案是克拉霉素500 mg/次，2次/d；或阿奇霉素，1 200 mg/周。如果患者不能耐受克拉霉素和阿奇霉素，可以选择利福布汀进行预防治疗，常规剂量为300 mg，1次/d。如患者经HAART使CD4+T淋巴细胞数增加到＞100个/μL并持续≥3个月时，可停止预防用药。一旦患者CD4+T淋巴细胞数＜50/μL，就应再次给予预防性治疗。

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(1)不愿参与研究的患者。(2)年龄<60岁的患者。(3)妊娠期、怀孕期妇女。(4)合并有心、肝、肺等器质性疾病的患者。(5)合并有慢性代谢性疾病的患者。(6)酗酒患者。(7)本研究药物过敏、禁忌症患者。

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在土木工程施工过程中，施工人员的专业素质极为重要，其素质水平直接关系着土木工程的施工质量。在施工现场，由于施工人员多为农民工，专业程度不高，技术操作能力也无法得到保证，因此，不仅无法保证工程的施工质量，施工安全管理也难以得到有效落实；此外，管理人员是施工管理工作的执行者，其素质水平直接关系着管理效果以及工程能否顺利进行。而由于施工单位管理部门的构成情况复杂，在实际工作中，当管理人员不具备专业管理能力时，不仅无法保证施工管理的有效性，也无法保证工程的顺利进行，并且在需要处理一些问题时，也无法较好地完成工作[1]。

[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.(JIANG Yongqi，CHEN Yongguang， YOU Jianfeng.CFD simulation of starting process of pelton turbine[J].Water Resources and Power，2017(1):172-176.(in Chinese))

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