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案例8：轴流式自整流冲击式空气透平

1. 案例介绍

自整流空气透平可以在往复入射气流下单向旋转，在OWC装置中得到广泛应用。冲击式透平是常见的自整流透平，其优势是自启动性能好，工作范围宽，不存在失速现象，在大流量系数范围区内效率下降缓慢，更加适用于波浪能密度偏小的亚洲海域，其基本结构形式如图8-1所示。本案例利用ANSYS-Fluent CFD平台模拟三维冲击式透平定常模型，包括模型流域的构建、网格划分、计算设置、后处理等，模型涉及到周期性边界条件及混合面模型的使用，以此为基础，可举一反三，有利于学生掌握负责旋转机械机构的构建与模拟。

图8-1 自整流冲击式空气透平

2. 案例学习目标

（1）了解冲击式空气透平的能量转换机理；

（2）掌握三维冲击式透平定常模型的构建方法；

（3）掌握旋转机械周期性边界条件的设置；

（4）掌握混合面模型技术的使用；

（5）掌握冲击式透平的数值模拟方法以及后处理方法。

3. 案例基本内容

（1）冲击式透平定常模型的构建

冲击式透平模型流域的构建、网格的划分均在前处理软件ANSYS-ICEM中完成，其中，动叶片附近的采用结构化六面体网格，而导流叶片附近的体网格采用非结构化四面体网格。对透平来说，叶片附近的流场较为复杂，因此叶片较近区域的网格需要进行加密以保证计算精度，与叶片相距较远的区域可以适当降低网格密度，以提高计算效率。模型网格如图8-2所示。

图8-2 冲击式透平结构网格划分

（2）冲击式透平定常模型的计算

冲击式透平定常模型的计算涉及到的关键技术为周期性边界条件，采用周期性边界条件可控制网格的整体数量。此外，动叶片边界外需要构建边界层网格，并配合使用壁面函数来处理近壁区的流动问题。为了保证流场在动静叶片之间的传递，还需在定转子结合处设置一对混合面。根据前期与物理模型试验的对比，模拟采用标准的k-e模型来闭合雷诺时均方程组；压力-速度耦合方式采用SIMPLEC算法，空间离散采用二阶迎风格式。

（3）计算结果后处理

计算完成后，可得到冲击式透平模型在该入射流速下的输入系数、输出系数以及能量转换效率，通过优化透平的形状参数，可进一步提高其能量转换性能。此外，还可利用Fluent对计算结果进行进一步的处理，得到流域内的速度云图，如图8-3所示，通过云图的呈现可揭示该类透平的能量转换机理，探索进一步提高装置能量转换效率的途径。

图8-3 流速分布云图（单位：m/s）

4. 案例小结与案例应用效果

冲击式透平是常见的空气透平型式之一，由于自启动性能良好，备受亚洲海域波浪能电站的青睐。该案例介绍了冲击式透平定常模型的流域构建、网格划分、边界条件设置、湍流模型选取等设置以及后处理方法，是对旋转机械问题的灵活运用，属于课程内容的延伸与拓展，可激发学生的创新思维，锻炼学生分析与解决问题的能力。

轴流式自整流冲击式空气透平案例下载(提取码1234)