水下储气装置的水动力学特性分析.pdf

在复杂的海洋环境中由于受到海流的影响水下储气装置会发生疲劳破坏 针对这一问题采用模型实验与数值模拟相结合的方法对水下储气装置的水动力学特性进行了研究 首先选取气球状储气装置作为研究对象依据相似原理设计了储气装置的缩尺模型并对其进行了水动力学实验然后采用大涡模拟()方法对储气装置进行了数值模拟分析了其流场结构及受力特性最后通过对比数值模拟结果与实验结果对数值模拟结果的可靠性进行了验证 研究结果表明:气球状储气装置的涡结构复杂、旋涡尺度丰富并且装置后方存在明显的卡门涡街./流速下平均阻力系数和升力系数分别稳定在.和.该结果描述了气球状水下储气装置在复杂海洋环境中的水动力学特性可以为储气装置的优化设计提供一定的理论依据关键词:压力容器气球状储气装置大涡模拟湍流模型模型实验流体动力学分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.()./.:()()引 言截至 年 月底我国火电发电量占总发电量的.作为主要的发电方式之一火力发电引发了大量的碳排放 大量的碳排放造成了全球变暖和气候变化等危害 在此背景下开发新能源发电成为必然趋势 然而可再生能源存在着明显的间歇性、随机性等问题因此需要储能系统来解决这一问题因其调节速率快、容量配置灵活等特点储能系统受到了业界人士广泛的关注 作为储能技术的一种水下压缩空气储能十分适用于海上大规模新能源发电系统 水下储气装置作为水下压缩空气储能系统中的关键部件一方面要承受巨大的空气压力另一方面还要承受复杂多变的环境载荷这就要求水下储气装置拥有更高的结构强度水下储气装置一旦发生损坏整个储能系统及周围设施与环境将会遭受严重损害 因此笔者选取水下储气装置作为研究对象对水下储气装置在海流环境下的水动力特性进行研究为水下储气装置的结构强度设计与水动力学分析提供参考对于水下储气装置的流体动力学研究国内外学者大多采用数值模拟的方法孙川等人采用计算流体动力学()方法分析了负压吸附装置的流场特性但其未对负压吸附装置进行受力分析 王金舜等人采用了大涡模拟方法对不同海流条件下的水下储气装置流体动力学特性进行了数值模拟但其未通过实验对数值模拟结果进行验证 等人采用大涡模拟方法分析了全尺寸水下储能装置时均和瞬态流动结构及其受力特性 等人分别采用 和 两种湍流模型对气球状储气装置周围的流场结构及受力特性进行了分析结果发现储气装置后部可能产生旋涡形式与旋涡脱落过程并得到了储气装置升阻力系数与涡脱频率但该研究集中于数值模拟没有对数值模拟结果进行对比验证 等人使用标准的 模型研究了不同雷诺数条件下气球状储气装置的受力特性及流场结构结果发现了 模型能够预测时均水动力特性但 模型不能捕捉到瞬态的湍流特性且其对于力系数的计算结果偏大综上所述国内外许多学者对水下储气装置进行了流体动力学研究但大多数研究是采用数值模拟的方法进行的而很少有研究者采用数值模拟与模型实验相结合的方法笔者将已有的气球状储气装置作为研究对象采用结合数值模拟与模型实验的方法对气球状储气装置的受力特性及流场结构进行分析探究气球状水下储气装置的水动力学特性 理论分析.物理参数定义为了描述水动力系数的变化规律笔者引进了无量纲雷诺数 其计算公式如下:()其中:()式中:为海水密度/为自由流速/为海水的动力黏度 为特征长度 为钝体体积笔者选择黄海海域作为研究环境 经过调研得知海水密度为./平均流速范围为././该海域的平均温度为.该温度下海水的动态黏度为.根据莫里森方程升力系数()与阻力系数()由下式进行推导即:.().()式中:为储气装置所受的升力、阻力为储气装置在升力、阻力方向上的投影面积.湍流模型笔者在对圆柱钝体绕流进行数值模拟时发现相比雷诺时均法模型利用 湍流模型仿真得到的结果更加稳定和精确 并且自由端效应能够更加容易地被观测到笔者将进行过良好检测的 模型应用于不可压缩流动的 方程经过滤波处理后的方程如下:()()()()式中:为速度/为压力 为密度/为 模型中的次网格尺度应力次网格尺度应力计算公式如下:()()()()()()第 期刘超群等:水下储气装置的水动力学特性分析式中:为涡黏性为克罗内克函数为应变张量的滤波速率 为滤波尺度为 参数 水下储气装置水动力实验.实验模型设计笔者选取 公司生产的专业()系列水下升力气球作为研究对象根据水动力实验室的实验条件以及模型材料强度笔者按照相似准则对模型进行缩放选定缩尺比为 从而得到了该次实验的实验模型实验模型设计图如图 所示图 实验模型设计图在实验模型时笔者首先利用连接杆将模型与六维力传感器连接起来然后使用 型夹将六维力传感器固定在水槽测试段的工装架上储气装置实验模型图如图 所示图 储气装置实验模型图.实验测试平台及实验参数实验在中国海洋大学海洋工程重点实验室的随机波流耦合水槽中进行 该水槽长 宽 深.水槽一侧配有造流系统自动控制软件实验过程中笔者设置水深为.实验模型放置于水槽中部从而保证了稳定流速所需的距离实验水槽图如图 所示图 实验水槽图为保证实验模型与实际模型的雷诺数相似实验工况的流速计算公式如下:()()式中:为储气装置特征直径为储气装置模型特征直径 为海水密度/为海水的动力黏度 为海流速度/具体实验参数表如表 所示表 实验参数参数/单位数值水流流速/(/).测试时间/为保证实验数据的准确性笔者搭建了包括六维力传感器、振动加速度传感器及流速传感器在内的多传感器融合采集系统储气装置模型实验的测试系统如图 所示图 储气装置模型实验测试系统机 电 工 程第 卷实验测试系统中六维力传感器的最大阻力测量量程为 灵敏度为 /所有数据由八通道的无线动态应变采集仪()集中采集处理采集仪的采集频率为 流速传感器用于采集实验过程中的实时流速信号 振动加速度传感器用于实时监测模型的振动加速度信号为了避免实验数据的偶然性笔者每组实验重复测试并取平均值作为实验值.实验数据处理不同流速下水下储气装置力系数结果图如图 所示图 不同流速下水下储气装置力系数结果图 由图 得:储气装置发生涡脱落时阻力系数与升力系数会在一定的稳定值范围内波动 随着工况流速的增大储气装置脉动频率也随之增大不同流速力系数平均值如表 所示表 不同流速力系数平均值./././阻力系数.升力系数.由表 可得:随着流速的增大储气装置承受的阻力和升力逐渐增大 由于涡街的存在储气装置在横流方向上承受的流体力随时间周期性地变化 当流速为./时储气装置升力系数的波动表明其侧向存在一对交替产生的旋涡第 期刘超群等:水下储气装置的水动力学特性分析 数值模拟.数值模型建立为减少数值模拟的计算量笔者忽略掉了储气装置的设计细节将储气装置简化为气球状物理模型创建了与实验模型尺寸相同的三维数值模型简化后储气装置三维模型图如图 所示图 简化后储气装置三维模型图在进行网格划分时为保证计算精度笔者将计算域划分为 块并在包含储气装置模型的区域中采用非结构化网格其余区域均采用结构化网格同时为了对储气装置的受力状况进行准确监测笔者对储气装置壁面进行了边界层网格划分随后进行网格独立性检验网格无关性结果如图 所示由图 可得:在网格数量达到.个时储气装置的力系数几乎不再随网格数量变化而变化在数值计算过程中离散格式对求解结果有着重要影响 等人对此进行了研究发现了低阶迎风格式无法用于准确捕捉回流区长度 因此笔者在对储气装置进行数值模拟时选取高阶迎风格式进行了计算 在进行求解设置时笔者选用 模型对亚格子湍流黏度系数进行了求解(参数设置为.)图 网格无关性结果 为避免在计算过程中因浮点溢出而导致计算中断笔者在进行数值模拟时对时间步长进行设定 时间步长计算公式如下:()式中:为时间步长为、这 个方向上的对应速度/为 个方向上的对应网格最小尺寸.模拟结果分析.流体力分析笔者将./流速下储气装置的数值模拟结果与实验结果进行比较得到储气装置力系数时间历程图如图 所示图 储气装置力系数时间历程图机 电 工 程第 卷由图 可得:采用 湍流模型进行计算时仿真所得的瞬态结果收敛且呈现出宽带湍流特征模型阻力系数和升力系数均趋于平稳同时实验结果略大于仿真结果其主要原因是实验模型表面存在一定粗糙度但在数值模拟中模型表面被处理为光滑表面 表面粗糙度增加了实验模型的摩擦阻力从而导致实验测得的结果较大./流速下实验与仿真力系数平均值如表 所示表 实验与仿真力系数平均值实验仿真阻力系数.升力系数.由表 可得:模型平均升力系数不为零这是由模型非对称结构导致的 模型下表面的压力大于上表面的压力因此产生向上的升力 由于模型迎风面的压力比背风面的压力大因此会产生向后的压阻由于实验与仿真所得的模型力系数非常接近因此笔者采用 湍流模型进行数值模拟时其计算结果是可以接受的.尾迹流场分析在流体力学中涡量是描述旋涡运动的常用物理量 在涡量的计算中来自流体形变而导致的旋度变化通常会被计算在内但实际上流体并未发生旋转运动所以 等人提出了 其定义如下:()()()式中:为涡量张量 为变形张量根据 准则气球状水下储气装置的瞬时流场涡结构图如图 所示由图 可得:采用 湍流模型进行数值模拟时气球状水下储气装置的瞬时流场涡结构和尺度比较复杂并且流场中存在明显扭曲的卡门涡街绕流形成的旋涡具有明显的三维结构特征流经储气装置侧向的流体在装置背风面附近逐渐扭曲形成旋涡结构背风面附近区域两侧的旋涡关于流场中面对称分布并经过装置顶部后形成分离涡从而导致海水向下运动分离涡在装置半高处附近与侧向向下扭曲的旋涡合流形成下行海流 下行海流的出现是尾迹流场中竖直方向负速度流体出现的原因之一./流速下流场内的流场流线图如图 所示由图 可得:储气装置背风面出现流动分离现图 气球状水下储气装置的瞬时流场涡结构图 流场流线图象并伴有旋涡 由于流动的不稳定性当流体从储气装置流过时储气装置后部会发生旋涡脱落现象 储气装置表面产生脉动的压力分布从而使其受到脉动的流体力导致储气装置出现涡激振动现象 当涡激振动频率与储气装置固有频率接近时储气装置会发生锁频共振现象从而受到严重的疲劳损伤在./流速下对称面速度矢量图如图 所示由图 可得:在储气装置工作过程中由于受到涡流的影响周围流体的速度响应会增加 但储气装置在水下工作区域的流速非常小并且储气装置配有压载 所以储气装置不会对流场产生较大的扰动也不会对海底环境造成破坏第 期刘超群等:水下储气装置的水动力学特性分析图 对称面速度矢量图 结束语笔者采用数值模拟与模型实验相结合的方法对气球状水下储气装置水动力学特性进行了研究选择 湍流模型对气球状水下储气装置进行了仿真分析并利用实验数据对数值模拟结果进行了验证研究结果表明:)通过对比实验结果可知 湍流模型模拟精度良好对气球状水下储气装置的流场形态及力系数的仿真结果较为准确)在./流速下气球状水下储气装置的阻力系数与升力系数分别为.和.)气球状水下储气装置的顶部结构能够抑制装置顶部附近的回流现象还可以有效地利用下洗流扰乱侧向旋涡的规则形成与脱落笔者当前所得的研究结论对于水下压缩空气储气装置的结构强度设计和水动力学分析具有重要的参考价值和借鉴意义未来笔者将对储气装置充放气过程水动力学特性进行进一步研究参考文献():肖先勇郑子萱.“双碳”目标下新能源为主体的新型电力系统:贡献、关键技术与挑战.工程科学与技术():.康重庆杜尔顺李姚旺等.新型电力系统的“碳视角”:科学问题与研究框架 .电网技术():.高 岩李少彦辛颂旭等.年中国储能发展现状与展望.水力发电():.李建林崔宜琳熊俊杰等.“两个一体化”战略下储能应用前景分析.热力发电():.何 青付海伦康浩强.新型变压比先进绝热压缩空气储能系统及其热力学分析.热力发电():.():.贺 新李丞宸陶飞跃等.双罐式压缩空气储能系统及其热力学分析.流体机械():.董国朝.钝体绕流及风致振动流固耦合的 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