文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
风能或流动水动能可以在许多类型的可再生能源设施中加以利用。这种设施的效率在很大程度上取决于流动中的动能通量。
例如，径流式发电机（ROR）利用河流的电流或自然发生的潮汐流来发电。如果开发时注意占地面积和位置，ROR水电项目可以创造可持续能源，最大限度地减少对周围环境和附近社区的影响。
它们可以提供对环境影响最小的可再生能源，因为它们不需要水坝来产生压头。然而，高水流量对于确保涡轮机有效工作至关重要。
我们研究的主要目标是探索通过使用具有累积效应的引导面系统来提高流体动力学流动中动能通量的可能性。
通过改变局部流动以获得涡轮上流体的高速，从而在其叶片上产生力，从而实现加速流动。
在这项工作中，提出了一种专门构造的引导表面系统（“流动助推器”）来重新引导流体，从而局部改变流动并提高其速度。
动能通量的优化是基于理论评估和预测、二维和三维数值模拟以及实验室实验的结合。
已经开发出一种原型助推器，可以用廉价、安全且易于操作的材料轻松制造。
实验过程
研究中的结构由四个机翼组成，这些机翼通过一系列数值实验进行了优化，大致位置如图1所示。
图1。实验室储罐点P1、P2和P3具有以下坐标（以毫米为单位）：P1=（30558）；P2=（34198）
两个内部机翼（靠近系统对称平面放置）呈透镜状，两个外部机翼类似于更传统的科夫斯基机翼。
当流体通过系统时，内部机翼之间狭窄位置的压力降低，根据伯努利原理，速度增加。
结果，水动能增加，可用于在反作用涡轮机中产生转矩。系统的扁平几何形状被选择为最适合收集和利用在一个方向上伸长的能量流。
实验室储罐
为实验研究开发了一个垂直矩形通道形状的实验室水箱。它提供了长达10秒的均匀层流。
水流速度约为15 cm s-1。一旦水开始从水箱底部的排水孔流出，就会产生水流。
除了图1所示的实验系统外，我们还考虑了一个更大的系统。
对较大系统的数值模拟表明，在动能通量增加20–25倍的情况下，单组引导表面（一个“级联”）的速度可能增加3–4倍。
可视化和速度测量技术
流体中植入了示踪剂颗粒，对于足够小的颗粒，假设示踪剂颗粒忠实地遵循流动动力学（颗粒遵循流动的程度由斯托克斯数表示）。
带有夹带颗粒的流体会被照亮，从而使颗粒可见。播种颗粒的运动用于计算所研究流动的速度和方向。
这些颗粒通常足够小，可以被流体携带，但足够大，可以使用流动可视化技术（如粒子图像测速仪采集。
高速数据处理允许生成大量图像，这些图像可以在个人计算机上实时或稍后进行分析，并可以获得大量近乎连续的信息。
实验结果
包装的两个颗粒的垂直坐标和水面坐标如图2所示。
图2:粒子的垂直坐标。蓝色曲线表示第一个粒子坐标的测量值，红色曲线是第二个粒子的坐标。
这种方法在很大程度上是可行的。添加的示踪剂（如果选择得当）通常会对流体流动造成可忽略的畸变。
该方法能够同时测量流场的整个二维横截面（几何形状）。我们正在使用的PIV方法的二维修改通常无法测量沿z轴的分量。
分析实验结果
在某些情况下，由于颗粒的密度较高，颗粒不会完全跟随水的运动。
由于我们的实验是在水中进行的，因此使用了具有适当密度（即与水的密度相同（～1.05 g cm-3）的聚苯乙烯颗粒。
如果密度不太合适，可以通过增加/降低流体的温度来调节流体的密度。
这会导致雷诺数发生轻微变化，因此必须改变流体速度或实验对象的大小来解释这一点。
速度曲线与振荡叠加（可能是由涡流引起的），必须从进一步的分析中消除。图3中的蓝色、红色和绿色线表示在没有这些振荡的情况下的流量。
图3。实验测量的颗粒和水面的垂直速度。蓝色实线表示粒子测量的分段线性插值，1速度，红色实线表示粒子
图表的不同部分具有明显不同的角系数，这些角系数表征了相应时间间隔上的粒子速度。
第一部分表示从配准开始到排水孔打开的时间（～0.8 s）。它的特征是所有三个观察到的物体（粒子和水面）的速度都是恒定的。
图的第二部分表示从初始速度建立的时刻（～0.9–1.2 s）到粒子进入累积区域（流体的更高速度）的一段时间，该累积区域位于初始垂直坐标约为～-16–18 cm的区域，第一个粒子在～1.4–1.6 s的时刻进入，第二个——在1.6–1.8 s的瞬间（图3）。
水面速度测量值用浅绿色三角形表示。
建立累积制度需要大约0.2秒的时间跨度。
图的第三部分表示累积状态，其特征是水流速度达到最大值，然后速度单调下降到初始值。这种情况下的实验结果取决于用于测量流体速度的可视化技术。
假设固体颗粒和流动的速度以及路径线和颗粒轨迹是相同的。事实并非如此，示踪粒子的速度可能在方向和大小上偏离流体速度。
这就引出了使用示踪粒子进行所有流量测量的基本问题：粒子是否跟随流量？一般的答案是否定的。
我们将研究释放到流体中的单个粒子的运动。从中我们可以了解这种流速测量的准确性，障碍物周围流动中的球形颗粒运动可以通过以下方程描述：
其中u是流速，r是粒子的位置矢量，r0是球形颗粒半径，ρ0和ρ分别是水和聚苯乙烯的密度
实验中的颗粒半径为0.5 1mm，颗粒密度为水密度的1.05，因此：
对进行积分，假设流速为常数u’=0，省略与t exp（）-t成比例的项，我们得出
图4给出了颗粒1的g 2.2 cm s 1 t=-和颗粒2的g 2 cm s 1 t=-。
图4。圆形上的简单二维流的流线。流线和对称平面x=0中的对称轴之间的距离由a表示。
图的第二部分上第一个粒子的速度等于16.5 cm s，1-，第二个粒子的速率等于16 cm s。1--在这两种情况下，产生的流速都等于u0 14 cm s 1>>-。
在对应于图的第三部分的区域上积分，我们可以看到流速与时间大致线性：u u bt=+1。省略与t exp（）-/t成比例的项，我们得到
从图3中可以看出，b3 cm s，2~-，即从两个粒子中，我们得到流体速度u1 0 31 cm s 1~-。
因此，速度增加系数等于
从图3中可以看出，这种速度增加在约0.2秒的时间跨度内有效，即在约
速度增加系数c和累积面积长度是本实验的主要结果，
在实验流体动力学中，斯托克斯数Stk U do 0=t是PIV中流动示踪剂保真度的度量[6]。Stokes数越小，表示跟踪精度越高。
对于可接受的跟踪精度，粒子响应时间τ应快于流的最小时间尺度。
现在，让我们更详细地研究方程，以了解在何种程度和条件下，我们可以信任使用的可视化技术。
结果将是时间r的矢量函数——粒子的轨迹。水在有循环和无循环的情况下在圆柱体周围流动的情况如下所示
流线如图4所示：现在让我们看看各种τ的粒子轨迹，并将其与图4中所示的流线进行比较。曲线之间的相似程度将表明我们可以在多大程度上信任给定τ的可视化技术
在图5中，X和Y是粒子位置矢量的分量（在2D情况下，r=（X，Y），在3D情况下，r=（X、Y，0）），X是对称轴。对于无循环的流量：
图5
（1） 当t=0.0001时，2D中的粒子轨迹围绕圆（在3D情况下为圆柱体）流动。
（2） 当t=0.001时，2D中的粒子轨迹围绕圆（或在3D情况下为圆柱体）流动。
（3） 当t=0.01时，2D中的粒子轨迹围绕圆（在3D情况下为圆柱体）流动。
（4） 当t=0.1时，2D中的粒子轨迹围绕圆（在3D情况下为圆柱体）流动。
我们现在可以看到，粒子轨迹以可接受的精度描述了t＜0.01的流线。这些τ值对应于约0.1 mm（100μm）的颗粒尺寸。我们在实验中使用的大颗粒并不能令人满意地遵循流动，PIV分析被认为是普遍准确的。
可视化技术研究成果
尽管对于某些几何形状，所使用的测速结果将给出相当精确的流体速度测量，但一般来说，我们上面讨论的方法的结果可能仅用作实际流速的下限估计。
在比较数值结果和实验结果时，应牢记这一点。
数值研究
现在，让我们来看看在实验室结构中对流体流动的直接数值模拟中，内壳之间的水速度增加有多大。
上述实验结果是在一个小型实验室模型（从前缘到后端约10cm）中获得的，在系统的最窄部分，流体速度达到u1~30 31cm s-1。
我们使用商业CFD求解器STAR-CCM+对流动进行二维和三维数值模拟，由大约60万个单元组成的网格上进行层流的稳定2D计算。网格如图6所示。
图6。用于数值建模的计算网格示例
计算了从向大气开放的实验箱流出的流体。随着液位的降低，空气充满水上方的空间。表面加速系统放置在储罐内部。
计算域分为两个独立的部分：上部充满水，下部在初始时刻充满空气，在液体表面P上给出的大气压为10Pa。
在网格划分和分析期间提供边界之间的连接而没有物理分离的原位界面被创建在设置排水孔的上区域和下区域之间的边界上。
下面列出了为模拟选择的CFD求解器的所有物理选项
利用实验结果验证了数学模型、数值程序和计算机代码。
数值结果
在对小型实验室翼型系统（从前缘到实验室储罐内的后端表面约10 cm）进行的计算中，内表面之间狭窄空间中的流体速度达到33 cm s-1。而表面速度等于12 cm s-2（图7）。
图7。三维情况下的标量速度计算显示，速度增加了2.5倍，达到35 cm s-1，而动能通量增加了5倍
恒定的水流速度可以通过底部排水孔的质量流量来估计。前面提到过，水流速度从大约15 cm s-1的值开始，随着时间的推移略有下降，达到14.5 cm s-2，如图7所示
较大几何体的数值计算结果与前面讨论的实验室系统数值建模结果显著不同。流速增加了6到7倍，动能通量增加了40到50倍（见图8）。
图8。通过平面IN和MID的动能通量如图7所示。
对于比实验室模型大40倍的真实系统，进行了一系列优化计算。对于远离系统的固定流速，研究了表面系统中速度增加与表面之间相对距离的相关性。
此类计算的典型几何形状如图9所示：
图9。显示了远离系统和系统最高速度点的动能通量比的相关性“透明度系数”Ktransp=h/l。
因此，当h/l=0.2时，动能流动比达到最大值，前提是系统的其他尺寸保持不变（见图10）。
图10。动能通量比
结论
我们研究的主要目的是开发紧凑、自主和低成本的设备，这将有助于提高风能和自来水发电的效率。
空气和水动力设施的效率在很大程度上取决于流动中的动能通量和速度。高速风或水流在创造高效工作的涡轮机方面起着关键作用。
图11。双级联流动加速系统。
数值结果显示非常有希望，迄今为止所做的实验清楚地说明了加速系统使用的积极影响。
当然，系统研究系统内的流动加速度还需要更多的实验，但本文的结果表明，使用相当紧凑的助推器可以显著提高涡轮叶片的功率。
总结我们的研究结果，我们应该提到最重要的结果：
（1）实验结果与数值结果吻合较好，证明了它们的有效性。
（2）水加速的令人印象深刻的数值结果让我们有理由希望加速系统内的速度和流动动能足够高，可以用于发电。
（3） 实验和数值模拟都表明，较大系统的累积面积长度为几米，足以将涡轮机安装在加速系统内。
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