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基于FLUENT的管道小型发电系统水轮机的研究

发布日期:2021-10-25 01:14浏览次数:
本文摘要:摘要:为相识决浇灌管道自动化监测系统的供电问题,设计了一种小型管道水力发电系统,使用管道内高速水流动员水轮机转动举行发电,并将电流存储于蓄电池中,以延长设备事情时间并淘汰更换电池所需的人工成本。凭据传统水轮机叶片结构及管道水流的特点,设计了在管径100 mm,流速1.5 m/s,管道压力200 kPa条件下运行的叶轮结构。使用SOLIDWORKS软件建设了同结构水轮机三维模型,更改水机叶片数量与转角并导入流体仿真软件FLUENT中接纳动网格模型举行仿真实验。

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摘要:为相识决浇灌管道自动化监测系统的供电问题,设计了一种小型管道水力发电系统,使用管道内高速水流动员水轮机转动举行发电,并将电流存储于蓄电池中,以延长设备事情时间并淘汰更换电池所需的人工成本。凭据传统水轮机叶片结构及管道水流的特点,设计了在管径100 mm,流速1.5 m/s,管道压力200 kPa条件下运行的叶轮结构。使用SOLIDWORKS软件建设了同结构水轮机三维模型,更改水机叶片数量与转角并导入流体仿真软件FLUENT中接纳动网格模型举行仿真实验。

据此,盘算差别结构下的叶轮转速,后使用此转速举行水轮机稳定运行盘算,并举行性能预测与内部流场分析。通过盘算对比,选取6叶片,转角53°的叶轮模型作为最优模型。此时,水轮机转速可达580 r/min,输出功率35 W,水头损失0.356 m,输出效率82.5%。

研究效果讲明,此类小型水力发电系统水轮机可使用管道水流提供能量,输出能量可满足小型管道自动监测系统的充电需求。关键词:小型水力发电系统; FLUENT; 水轮机; 性能预测;作者简介: 刘琪(1992—),男,硕士研究生,主要从事水利信息化研究。

E-mail:601703302@qq.com; *常晓敏(1977—),女,副教授,博士,主要从事水信息检测的研究。E-mail:305643669@qq.com;基金:国家自然科学基金青年基金项目(41606220);引用:刘琪,常晓敏,窦银科. 基于 FLUENT 的管道小型发电系统水轮机的研究[J]. 水利水电技术,2020,51( 10) : 81-87.LIU Qi,CHANG Xiaomin,DOU Yinke. FLUENT-based study on hydroturbine for minitype pipeline hydropower generation system[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 10) : 81-87.0 引言农业水利一直是关乎国家基础民生经济的重要问题,管道浇灌输水是合理分配与使用水资源的主要措施。为了提高对灌区用水输配送的治理,需要在用水管道沿线安装自动化监测设备,用以监测水况。

为了保证系统的恒久稳定运行,首先需要解决的是系统的电子器件及控制器的供电问题。如果恒久使用传统蓄电池,普通蓄电池供电量有限,电压不足会影响系统运行,而频繁更换会造成更大的人力资源浪费。其他新能源发电方式如风能、太阳能发电,在灌区大量安装繁琐,人为破坏难以防护,成本消耗过高。

使用微型管道水轮发电机,可以使用灌区浇灌管道内部高速运动的水流推动小型水轮机举行发电,存储电能并将电能存储于蓄电池,解决沿线设备供电问题。对于小型水轮机的研究,取得了丰硕的结果。

熊朝坤等凭据工程实际的需要,使用传统方法与数值模拟相联合,设计一种输出功率100W的微型管道式涡轮机并举行优化;上海自来水公司提出了新型自发式智能水表,使用自来水管水流给水表端的水量丈量与数据传输设备举行供电,从而实现智能水表实时监控与数据传输的问题;段巍钊、肖腾联合前人的履历,使用ANSYS软件对叶轮模型举行模拟仿真,并举行了控制主电路设计,辅以发电控制算法,设计出了可输出稳定电压的微型管道发电机模型。朱占春等类比风力发电机,对叶片升阻比举行了对比并思量应用于垂直轴发电机,讲明合适的叶片结构可以提高发电效率。

研究现阶段关于微型管道水流发电系统研究多数针对于高水压、高流速的自来水供水管道沿线以及家用自来水管,而针对中低压管道发电机研究较少。在使用FLUENT软件研究水轮机模型时,通常先确定叶轮额定功率后设计牢固转速求解内部流场,从而得出输出转矩与功率情况并分析内部流场。可是微型管道空间狭小,高速水流流态庞大,水流打击叶轮后通常难以确定转动情况。

而对于给定的管道界限,差别的叶轮结构从水流中获取的管道能量也有差异,转速情况也不尽相同。因此,叶轮在举行稳态求解时是否能到达给定的高转速还是个未知数。

本文针对中低压浇灌输水管道,联合牢固转速求解水轮机内部场的方法[9],首先使用FLUENT动网格对水轮机内部流场举行仿真分析,记载盘算得出的叶轮转速。使用动网格模型可在确定叶片结构下,使用UDF文件确定叶轮旋转形式,盘算给定界限条件下水流打击叶轮后叶轮的转动情况。在盘算稳定后,读取叶轮转速。在研究叶轮稳定转动时,可接纳动网格盘算出的转速,而得出差别结构的水轮机叶片的能量输出情况。

同时分析管道内部流场,以及对结构举行合理性分析,预测水轮机的性能同时举行效率估算。此种方法通过动网格仿真实验,先盘算出设计管道叶轮在确定界限条件下的实际转速,后使用此转速举行稳态盘算,得出稳定转动下的叶轮能量输出情况。通过对比差别模型下的能量输出情况,选取最优叶轮模型,为后续整体发电系统的设计提供依据。1 管道水轮机的原理与分析1.1 事情原理水资源是一种清洁、无污染、高效的能源,并被逐渐开发并转化为机械能、电能等多种形式。

管道水流具有流速大,水压高等特点,可驱动叶轮高速旋转。因此,管道小型水流发电机使用管道高速水流的动能,打击水轮机驱动叶轮旋转,叶轮后接转动轴与加速装置毗连发电机使其发电,发电机发出的电流通过整流电路与充电控制电路,将电能储存到蓄电池中,最后蓄电池给传感器与控制器供电,从实现管道水流动能向电能的转化。1.2 相关参数确定本文主要研究水轮机的转轮结构,简化模型,其他。


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