水平轴潮流能水轮机叶片变桨角度研究

1 研究背景

能源是人类赖以生存和经济发展的重要物质基础，近年来，随着我国社会经济的快速发展，对能源的需求也日益增长。潮流能由于具有能量密度大、储量丰富、规律性强以及载荷稳定等特点而越来越受到世界各科技强国的关注和重视[1-5]。潮流能发电系统的核心组成部分是潮流能发电机组，目前由于其能量提取率高、技术成熟稳定，水平轴潮流能发电机组成为了应用较广的机型[6-9]。对于水平轴潮流能机组而言，开展潮流能水轮机叶轮变桨角度对叶轮水动力响应影响方面的研究，可以为水轮机控制系统设计提供重要的参考依据。

第三，我们还有承前启后、继往开来的社会主义先进文化。社会主义先进文化是对中华民族优秀传统文化和红色革命文化的继承和发展，是以马克思主义为指导创造的新型文化成果。社会主义先进文化的核心是中国特色社会主义的共同理想、以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神，以及社会主义荣辱观。在短短几十年的社会主义实践中，我们创造了属于自己的中国道路、中国模式、中国奇迹，这说明社会主义先进文化是一种有生命力的文化，是一种体现了人类文明发展进步方向的文化。

李志川等人[10]对CFD技术在潮流能发电中的应用情况进行了介绍，并指出：随着计算机技术及计算数学技术的发展，CFD必将逐步成为研究潮流能发电的主要手段。袁金雄[11]借助于数值模型，对不同推力系数条件下的尾流场的变化规律进行了模拟分析，结果表明：推力系数对尾流场具有显著的影响，随着推力系数的逐渐增大，尾流流速和尾流流速的恢复速度都随之减小。Li等[12]对单台单桩式水平轴潮流能机组周边的流场分布特性进行了研究。辛小鹏等人[13]釆用数值模拟开展了研究，模拟结果表明：当上下游水轮机纵向间距在5 D(5倍叶轮直径)以内时，上游机组的尾流对下游机组发电效率的影响较大；当纵向间距增大到30 D时，尾流对发电效率的影响能显著减小到可忽略的程度。谭俊哲等人[14]采用数值模型，研究了海底地形变化对潮流能水轮机水动力响应的影响。Malki R等[15]借助于数值模型，对潮流能水轮机发电效率与间距之间的关系进行了模拟分析。Stallard T等人[16]通过采用模型试验的方法，对潮流能水轮机组尾流场的空间分布特点和尾流影响区域等进行了研究。MacLeod A J等人[17]采用数值模型，分析了潮流能水轮机叶轮安装高度和叶轮轴向推力系数等因素对尾流场的影响。安佰娜[18]采用数学模型，对0～35 D范围内逐渐增加上下游潮流能水轮机间的纵向间距进行了模拟分析，从而得到了不同纵向间距下水轮机间的影响规律；同时，还对潮流能水轮机不同布置形式时的流速、压强和紊流等水动力要素的分布规律进行了对比分析。

目前，国内外对于水平轴潮流能机组的研究，主要还是集中在潮流能机组尾流场空间的分布及多机组相互影响规律的研究上，而对于叶片变桨角度方面的研究则相对较少。对于上述问题，本文采用三维计算流体动力学软件Flow-3D，针对单桩式水平轴潮流能发电机组，模拟分析了叶片变桨角度对叶轮受力、叶轮获能效率和尾流场等产生的影响。

2 数学模型

在进行数值模拟时，是以N-S方程为控制方程进行水动力模拟的。运用GMO模块来模拟刚体在流体内的运动状况，即刚体与流体间的流固耦合运动；采用FAVOR方法，利用简单的矩形网格来表示叶轮复杂的几何形状。

2.1 水流控制方程

以N-S方程作为流体运动控制方程，应用流体体积法(VOF) [19]，来跟踪处理自由水面；采用大涡模拟(LES)方法来模拟紊流运动。质量连续方程为

初中阶段的学生正处于身体和思维等方面快速发育的时期，情绪不够稳定，在学习方面定力比较差。为了能让学生长期保持对数学学习的积极性和主动性，使学生能对数学有更多的兴趣，教师应重视教学的导入环节。在教学的导入阶段中，教师应为学生设计一些多种多样的导入内容，利用课堂的前几分钟来调动学生的积极性，使学生能保持长久的学习热情。通过课堂引入环节的安排能让学生在学习过程中感受到更多的乐趣，营造出生动的教学氛围，提高学生的学习积极性和探索问题的积极性。

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=RDIF+RSOR

对 CGGA 标注的不同分子亚型胶质瘤样本中CGGA 全转录组表达谱芯片 BICD1 表达水平的分析结果（图3B）示，BICD1 表达水平在前神经元型、神经元型、经典型和间质型胶质瘤样本中的差异有统计学意义（F＝21.8，P＜0.01），其中间质型胶质瘤样本中 BICD1 表达水平最高，前神经元型胶质瘤样本中表达水平最低。

(1)

式中,VF为流体在网格单元内所占的体积百分，%；t为时间，s；ρ为流体密度,kg/m3；RSOR为质量源项； RDIF为扩散项； Ax,Ay,Az分别为流体在x,y,z方向所占的面积百分比，%；u,v,w分别为流体在x,y,z方向的速度分量。

x,y,z方向上的动量守恒方程可以分别以如下形式表示：

(2)

(3)

(4)

式中,Gx,Gy,Gz分别为重力加速度在x,y,z方向的分量；uw,vw,ww分别为与运动物体有关的速度源项；fx,fy,fz分别为黏性力在x,y,z方向的分量； us,vs,ws分别为与运动物体有关的相对质量源项界面的流体速度，m/s；δ为质量源的压力类型，本文中δ取1，表示为静态压力类型的质量源，此时根据质量源的表面积和流量来计算流体的速度，而不需要提供额外的压力使流体从质量源中流出。

2.2 FAVOR方法

FAVOR方法[20]是GMO模块的核心组成部分。它利用简单的矩形网格来表示潮流能机组，特别是叶片的几何外形、运动和位置，以及机组与黏性流体间的流固耦合。其控制方程如下：

(ρuA)=Sm

(5)

式中,Vf为流体在网格单元内所占的体积百分比，%；A为流体在网格单元内所占的面积百分比，%；Sm为流体质量源项。

2.3 模型验证

目前，该模型已被成功地应用于单桩式水平轴潮流能水轮机水动力性能的数值模拟研究[21]。本文将使用该模型，针对不同叶片变桨角度对水平轴潮流能水轮机的水动力特性的影响开展分析研究，研究结果可为潮流能水轮机叶片变桨控制系统的开发提供一定的科学依据。

阿托伐他汀钙配合单孔双管冲洗引流是治疗慢性硬膜下血肿的有效方法，且操作相对简单，患者创伤小，值的广泛推广。

2.4 模型建立

潮流能水轮机叶轮的初始旋转速度为0，将初始水深设置为50 m，水体的上边界取自由表面，不考虑其表面张力，水槽两侧为光滑的固体壁面边界，以表面粗糙度为5的固定海床为底边界。

当使用Flow-3D热启动功能的时候，首先需要利用Flow-3D软件建立一个与目标工况水深和宽度相同且足够长的数值水槽，将通过足够长的时间获得边界层充分发展的水流作为目标工况水槽中水的初始状态；然后结合“Grid Overlay”边界提供一个稳定的进口流速条件。在本文模拟中，数值水槽长、宽和水深分别为300，100 m和50 m。根据具体算例，对x,y,z方向上的网格尺寸进行调试，网格整体布局原则是：在研究者关注的桩基础和叶轮等重要位置进行局部加密，而在其他位置则可以适当调大尺寸。总体上而言，所选网格尺寸需要既能保证精确反映叶轮的几何外形以及潮流能机组附近流场的分布，又要能保证计算效率网格不能太密。

在选择水轮机型号的时候，本文参照了舟山潮流能示范工程的实际情况，在本文三维数值模拟中：将叶轮叶片直径选为19 m，扇叶倾角(叶片平面与叶轮旋转轴的夹角)分别为50°，60°和70°，将叶轮密度选为2 700 kg/m3，采用直径3 m的圆柱为桩基础。

3 叶片变桨角度的影响效应

为了研究叶片变桨角度对水轮机周边流场和水轮机水动力响应的影响，在三维数值模型中(如图1和图2所示)，考虑了3种不同的叶片变桨角度(如图1所示，叶片变桨角指扇叶与旋转轴的夹角，图中为70°)，分别为50°，60°，70°，在3种不同的变桨角度下，水轮机安装高度不变，均设为30 m，水深均为50 m。

2.1对比两组溶栓后血管再通:A组患者溶栓30min、60 min、120min血管再通率分别为37.5%(15例)、60.0%(24例)、85.0%(34例)。B组(尿激酶组)患者溶栓30min、60 min、120min分别为15.0%(6例)、30.0%(12例)、57.5%(23例)。两组患者在各时间对比,差异均存在的统计学意义(P<0.05)。

图1 变桨角度示意
Fig.1 Sketch of pitch angle

图2 不同变桨角度时水轮机布置示意
Fig.2 Sketch of turbine layout at different pitch angles

3.1 对叶轮转速和动能的影响

如图3所示，图中横纵坐标分别表示时间和叶轮转速，在来流作用下，潮流能水轮机叶轮转速在很短的时间内均由静止达到了相对平衡的状态。在不同叶片变桨角度时，水轮机从静止到相对平衡状态所需时间有微小差别，变桨角度增大时，叶轮达到平衡状态所需时间也略有增加。当变桨角度分别为50°，60°和70°时，对应的叶轮平均转速分别为0.96，1.18,1.51 rad/s。变桨角度越大，叶轮转速越快，相应地从流场中获取的平均动能也越大。

图3 不同叶片变桨角度时叶轮转速
Fig.3 The impeller rotating speed at different pitch angles

如图4所示，图中横纵坐标分别表示时间和叶轮转动的动能，当变桨角度为50°时，其平均转动动能约为1.08×106J。而当变桨角度增大到60°时，其平均动能增大到1.66×106J，增幅为53.7%。随着变桨角度的进一步增大，当变桨角度为70°时，其平均动能约为2.63×106J，增幅为58.4%。

模拟结果表明：叶片变桨角度对叶轮可获取的最大能量有着显著影响。在本文模拟的叶片变桨角度范围内，叶片变桨角度每增加10°，叶轮动能约增加55%。

1) 拟合港口企业雇用者数aj1与固定资产总额xj的关系。从Resset金融数据库收集到2014年9个港口股份公司的从业人数和固定资产数据，回归得到的指数形式的拟合曲线，拟合优度为0.753，其函数关系为

图4 不同叶片变桨角度时叶轮动能
Fig.4 The impeller kinetic energy at different pitch angles

3.2 对水轮机各向受力的影响

如图5所示，图中横纵坐标分别表示时间和叶轮的受力，叶片变桨角度对潮流能机组叶轮受力具有显著影响。增加变桨角度会增加叶轮在来流方向(x轴方向)的投影面积，从而增加叶轮在来流方向(x轴方向)受到的水流作用力。由图5可以看出，当变桨角度分别为50°，60°和70°的时候，叶轮在x方向的受力平均值分别为7.88×105，1.22×106 N和2.00×106 N。变桨角度从50°增加到60°时，叶轮x方向受力的平均值增加了54.8%；从60°增加到70°时，该力增加了63.9%。在y方向和z方向上，变桨角度的增加对叶轮受力影响较小。

在对叶轮进行受力分析时，从工程的实际角度考虑，表1中分析了整个模拟过程中各向最大的水流作用力。

随着变桨角度的增大，x方向最大的水流作用力显著增大，而y方向和z方向的最大水流作用力均减小了，可能的原因是随着变桨角度的增加，叶轮在x方向的投影面积增大，而在y和z方向的投影面积减小了。在x方向，当变桨角度由50°逐渐增加到60°和70°时，Fx则由9.38×105N逐渐增加到1.43×106 N和2.25×106 N，增幅分别为52.5%和57.3%。在y和z方向上，Fy值总为负数，即沿y轴负方向，这是由于叶轮转动的不对称性而引起的。随着变桨角度的增大，y和z方向的最大水流作用力均减小了，这是由于叶轮在y和z方向的投影面积减小了，从而导致这两个方向的总水流作用力减小。

如图1所示,两段馈线共有11处开关,包含2台出线断路器,8个分段开关及1个联络开关,馈线年故障率为0.1次/km,供电区域划分属于表1中的A区,可靠性要求不低于99.990%,FTU年运行维护费用占投资费用的3%,故障隔离时间t2为0.5 h,故障修复时间t3为4 h,FTU每台“三遥”投资费用为3万元,每台“二遥”设备投资费用为0.8万元。利用模型1对线路进行分析,将出示给定数据代入式(9)计算出“三遥”设备的个数k2,然后将k2代入式(6)计算“二遥”设备的个数k1,计算所得结果如表3所示。

图5 不同叶片变桨角度时叶轮在x、y和z方向受到的水流作用力及其合力
Fig.5 Hydraulic force of the turbine impeller at different pitch angles in x, y and z direction respectively and the resultant force

表1 不同叶片变桨角度时的
水轮机叶轮各向最大水流作用力
Tab.1 The maximum hydraulic force in each direction of the turbine impeller at different pitch angles

变桨角度/(°)最大Fx/N最大Fy/N最大Fz/N最大Ft/N509.38×105-1.63×1057.33×1051.17×106601.43×106-1.35×1057.05×1051.56×106702.25×106-6.87×1046.64×1052.33×106

注：最大Fx、最大Fy、最大Fz和最大Ft分别表示叶轮受到x、y、z方向的最大水流作用力和合力。

3.3 对水轮机尾流场和自由液面的影响

本章节将针对叶片变桨角度对潮流能水轮机附近自由液面和流速分布形态的影响展开分析。

为了清晰地对比叶片变桨角度对自由水面的水位线沿程变化规律的影响，图6给出了水轮机中心z剖面水位线变化图，图中横坐标为x坐标与叶轮直径D的比值，水轮机位于X/D等于零处;纵坐标表示水轮机放入前后水面变化的程度：相对于水位为正值时，表示水位壅高，为负时表示水位下跌。

从图6中可以看出，对于不同的叶片变桨角度，水位线沿程变化规律总体上是相同的，即水轮机上游(X/D为负值时)水位总是上升的，而下游(X/D为正值时)水位总是下降的。产生这种现象的原因是由于水轮机阻碍了水流的运动，从而造成了上游水位壅高，下游水位下跌。

同时，由图6和表2还可以看出，叶片变桨角度对水轮机上下游水位的升降程度有着显著的影响。

(1) 当叶片变桨角度为70°时，水轮机上游0.278 D处(X/D=-0.278)有最大水位升高值为0.187 m，水轮机下游0.995 D处(X/D=0.995)的水位达最小值-0.112 m。

(2) 当叶片变桨角度为60°时，水轮机上游0.235 D处的最大水位升高值为0.103 m，水轮机下游0.517 D处的水位最小值为-0.043 m。

(3) 当叶片变桨角度为50°时，水轮机上游0.235 D处的最大水位升高值为0.060 m，水轮机下游0.493 D处的水位最小值为-0.030 m。

由表2可以看出，当叶片变桨角度分别从50°增加到60°和从60°增加到70°时，水轮机上游的最大水位值分别增加了71%和82%。同时，水轮机下游的最小水位值分别下降了43%和160%。总体而言，叶片变桨角度越大，上下游水位升高和降低的程度就越显著，而且发生最高和最低水位值的位置距水轮机也越远。

图6 发电机中心x-z剖面水位变化沿x轴分布
Fig.6 The distribution of water level in the x-z
section of the turbine center along the x axis

表2 不同叶片变桨角度时水轮机上下游水位分布
Tab.2 The distribution of water level at the upstream and downstream of the tidal turbine at different pitch angles

叶片变桨角度/(°)上游最大水位位置(X/D)上游最大水位值/m最大水位值增幅/%下游最小水位位置(X/D)下游最小水位值/m最小水位值增幅/%500.2350.0600.493-0.030600.2350.103710.517-0.04343700.2780.187820.995-0.112160

图7所示为3种叶片变桨角度(50°,60°,70°)下的尾流场中沿水流方向水轮机中心线上流速的沿程分布曲线图。图中的横坐标为x坐标与叶轮直径D的比值，水轮机位于X/D等于零处，因此，在X/D等于零处流速曲线不存在。纵坐标λ表示流速时均值与来流速度的比值(无量纲值)，λ为正(负)时，表示流速方向与来流方向相同(相反)。

由图7可以看出，不同的叶片变桨角度时流速沿程变化的规律类似，上游来流流向水轮机时流速迅速减小，在水流通过水轮机后，尾流场中距离水轮机下游5D范围以内的流速有着显著的改变，在水轮机下游1 D附近时，相对流速λ值为负，这表明水流会向与来流相反的方向流动而形成漩涡；此后，当水流逐渐远离水轮机时，尾流场的流速逐渐恢复。

模糊语言作为自然语言的一个必不可少的部分，是普遍存在的语言现象。在书面语和口语中，我们都能发现模糊语言的存在。模糊限制语（Hedges）是模糊语言的一个重要分支，众多语言学家从各种角度对其进行了详尽的研究。美国著名语言学家拉可夫（George Lakoff）（1972：195）对模糊限制语给出了定义，它是指“一些有意把事物弄得更加模糊或更不模糊的词语（Wordswhosejob it ismakethingsfuzzier or lessfuzzier）”。

应用型人才培养的重要途径之一就是通过顶岗实习强化学生的职业能力训练，并且顶岗实习大多针对就业安排。当被问及顶岗实习的重要性时，多数毕业生认为顶岗实习重要，并且对就业有影响，但同时也承认项岗实习内容对现在所从事的工作来说很不够用。造成这一结果的原因是多方面的，如有些实习岗位与就业岗位关联度不大；实习内容受实习单位生产需要限制，工作性质单一，不能完全符合培养应用能力的要求；实习效果缺乏恰当的考核方式等。今后应重视顶岗实习管理，完善规章制度，明确指导教师职责，实习项目的选择要尽量符合学生的认知水平和教学规律，把顶岗实习作为学生的必修实践课来实施，从而提高学生的职业能力。

同时，通过对图7及表3中不同叶片变桨角度时的流速沿程变化情况进行对比，还可以看出：叶片变桨角度越大，水轮机下游附近流速减小的程度越大；但是，当逐渐远离水轮机时，流速恢复得却越快。具体模拟分析数据如下：

(1) 在水轮机下游1 D处，λ分别为0.21，-0.13和-0.25(分别对应50°，60°和70°的变桨角度)。

巴西的农业补贴政策有两个明显的特点：一是主要采用信贷支持和农业保险补贴等金融政策来促进农业的发展；二是补贴资金很少用于对农业直接进行补贴，主要以市场为导向，将资金用于投资和市场决策。

(2) 水轮机下游2 D处，λ分别为0.53，0.30和0.27(对应的变桨角度同上)，在水轮机下游2 D范围内最大叶片变桨角度为70°时，流速减小的程度最大，流速最小。

(3) 水轮机下游3 D处，λ分别为0.61，0.45和0.50(对应角度同上)。

(4) 水轮机下游4 D处，λ分别为0.64，0.53和0.62(对应角度同上)，在水轮机下游3 D至4 D范围附近，最大叶片变桨角度70°对应的流速大于60°，同时小于50°。

目前，南海航海保障中心已启动海区MF-DSC电路改造工作，计划于2018年底完成并正式启动广州通信中心统一值守海区MF-DSC电路工作。

(5) 水轮机下游5 D处，λ分别为0.67，0.60和0.73(对应角度同上)。

(6) 水轮机下游10 D处，λ分别为0.77，0.82和0.88(对应角度同上)。

(7) 水轮机下游15 D处，λ分别为0.86，0.92和0.92(对应的角度同上)，在水轮机下游距离大于5 D处，最大叶片变桨角度70°对应的流速最大。

图7 不同叶片变桨角度时尾流场
速度-位置分布示意
Fig.7 The relation between velocity and location
of the wake field at different pitch angles

表3 不同叶片变桨角度时尾流场
轴向中心线速度恢复情况
Tab.3 The velocity distribution at the axial center line at different pitch angles

叶片变桨角度/(°)1D2D3D4D5D10D15D500.210.530.610.640.670.770.8660-0.130.300.450.530.600.820.9270-0.250.270.500.620.730.880.92

4 结 论

本文借助于三维水动力软件Flow-3D建立了数值模型，并运用该数值模型对于在均匀来流作用下的水平轴潮流能水轮机的水动力响应进行了模拟分析；同时，也对叶片变桨角度对水轮机转速和动能、水流作用力和尾流场的影响开展了研究。基于数值分析结果，可以得出如下结论。

(1) 叶片变桨角度对叶轮转速和叶轮可获取的最大能量有着显著的影响。在本文模拟分析中，叶片变桨角度每增加10°，叶轮动能约增加55%。

(2) 叶片变桨角度对叶轮x方向(来流方向)受力有着显著的影响。在本文模拟分析中，叶片变桨角度每增加10°，叶轮x方向的受力平均值约增加60%，最大值约增加55%；在y和z方向，变桨角度的增加对叶轮受力的影响较小。总体而言，随着变桨角度的增大，y和z方向的最大水流作用力略有减小。

(3) 叶片变桨角度越大，水轮机下游附近(约2D范围内)的流速减小程度越大，尾流流速越小；同时，当水流逐渐远离水轮机时(约5D以外)，较大的叶片变桨角度所对应的尾流恢复速度更快，而且尾流流速更大。

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