【研究前沿】微型水轮机在超低水头的分析、实验和CFD研究_湍流_电力_理论

【研究前沿】微型水轮机在超低水头的分析、实验和CFD研究

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这篇文章是2024年发表在《Renewable Energy Focus》。

文章旨在深入研究超低水头（小于3米）条件下微型下摄式水轮机（USWW）的性能，这对于印度尼西亚等地区偏远农村电气化具有重要意义。研究内容包括理论估算、计算流体动力学（CFD）模拟和实验验证，以预测叶片数量与最优运行条件之间的关系。研究结果表明，平均而言，理论分析结果与实验数据的均方根误差（RMSE）为9.02%，CFD数据与实验数据的RMSE为9.07%。通过多重二次多项式回归分析，确定了16叶片和0.5的工作水头是USWW在超低水头下的最大性能。

1. 研究背景

随着全球变暖和电力危机的加剧，USWW作为一种可再生能源解决方案受到关注。印度尼西亚由于地理条件限制，部分农村地区难以通过常规交通方式到达，因此采用微水电与离网系统是解决这些地区电力供应问题的有效途径。USWW因其简单、成本低和易于制造等优势，被认为是一种有前景的技术。

2. 理论分析

研究首先基于理论模型估算了USWW中的功率损失，包括水头损失、泄漏损失和摩擦损失。通过分析这些损失，建立了叶片数量与最优运行条件（U/Cu或φ）之间的关系。理论模型考虑了水轮机的几何参数和流动特性，如上游水深（ha）、叶片高度（hw）和叶片数量（z）。

3. 实验方法

实验装置用于测量USWW的潜在功率（Pnet）和机械功率（Pm）。实验中使用了数据采集系统、扭矩传感器、转速传感器和流速计等设备。通过测量不同位置的水速，验证了理论模型的准确性。

4. CFD模拟

CFD模拟采用了不可压缩流体和瞬态条件的假设，利用RANS方程和标准k-ε模型来预测USWW中的湍流流动。模拟结果用于验证理论分析，并与实验数据进行比较。

5. 结果

实验和计算结果表明，USWW的性能与叶片数量和水头比（φ）有关。当φ为0.5时，USWW达到最大性能。此外，叶片数量对USWW的性能有显著影响，16叶片的USWW在超低水头条件下表现最佳。

来源：CFD饭圈

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