图1 船舶发电机的CAD模型
发明家Michael Urch的设计通过把转子叶片的外缘连接到机匣上，避免了故障问题。旋转机匣与转子相连，同时结合一个固定机匣用于扩大有效流动面积，与开放式涡轮相比提供了优异的导流作用。该设计提升了效率和功率输出。内部的环形槽口能帮助转子下游机匣部分（此时机匣起着扩压器的作用）保持水流附着在壁面上。通过避免流动分离，阻力减小、发电能力增大。涡轮进水处的静子能给水流造成预旋，让转子产生更大功率。Gilmore Engineers受聘评估这一概念，以加快设计评估和设计优化。工程师采用的是ANSYS计算流体动力学（CFD）仿真。与标准的构建测试方法相比，这样可以显著改善结果，大幅缩短开发时间。
试错法
Urch基本上是在一张餐巾纸上完成这一独特设计的，但他认识到十分有必要在进入下一步之前优化设计，验证概念并估算它能够产生多少电力。传统方法需要构建一系列原型来评估不同机匣和叶片设计的性能。工程师需要在水流设备中设定操作，开展一系列测试。在测试的过程中只能测量少数几个离散点的流量和压力，限制了从每次测试中能够获得的数据。实验设置的复杂性和获得数据信息的有限性严重阻碍了开发过程，需要大约一年的时间才能完成优化设计的迭代工作。
仿真方法
一家名为Elemental Energy Technologies的公司成立了，其将上述设计概念转变成商业化产品，即所谓的SeaUrchin海洋能发电机。该公司聘请工程咨询公司Gilmore Engineers使用仿真技术优化这一高难度设计。工程师需要精确地仿真水流从进水口到出水口的边界层以发现任何水流分离的趋势，所以机匣的设计较为复杂。流动分离对涡轮性能有显著的影响。边界层中水流流动结构的复杂性需要使用精细网格来求解这个区域的湍流。另一个挑战是把叶片穿过水流的运动纳入仿真范围。
[图2 CFD结果显示的是沿流速流线在发电机表面分布的压力]
一种分析涡轮的方法是使用全360度瞬态仿真来模拟穿过水流的叶片运动情况。对边界层上的湍流使用雷诺平均方程（RANS）湍流模型进行建模。使用这种复杂性的模型耗用时间基本与每次迭代使用构建测试方法的时间持平。但是该模型提供的信息量远远多于物理测试，能够包含计算域中任意点的流速和压力，因此工程师估计他们通过这种方法用三个月时间就能完成设计优化。
旋转模型和湍流模型是解决方案的关键
Gilmore的工程师寻求一种能加速完成设计优化的方法。他们选择了ANSYS CFX CFD软件，因为该软件为旋转机械的精确、可靠和高效建模提供了模型和基础设施。由于该海洋能发电机具有旋转对称性，他们使用五度周期模型来节省计算资源。为表达叶片，他们从利用多孔介质域带走水流能量的简化模型开始仿真。该模型有10万到20万个单元。工程师使用剪切应力输运（SST）湍流模型。这种模型和k-ε模型一样简单，但具有高得多的精度，尤其是对分离流而言，能在各种类型的流动和近壁网格条件下求解。
图3 SeaUrchin流动发电机的原型
该模型即使在桌面个人计算机上的求解速度也很快，这正是工程师当时使用的计算机。工程师在一个星期时间内完成了大约30种尺寸和形状的机匣仿真，重点是扩压器或引流管区域，以找到既能提供最低压力又能保持水流附着在壁面的设计。随后通过改变尺寸、形状和槽口数量，并将生产成本纳入考虑范围，对性能最佳的外形进行了进一步的分析。在这些迭代的过程中，他们把涡轮的膨胀比增大了25%。
通过迭代获得精心优化的设计
在机匣优化完成后，工程师在旋转参考坐标系中求解叶片，然后使用冻结的转子模型把旋转组件与固定组件连接起来。工程师根据对每一个旋转角上旋转组件周围的准稳态流的推测，进行稳态模式下的计算。此时模型规模已增加到大约1000万个单元。工程师首先仿真早期物理原型，以验证仿真模型。该物理原型以0.46的功率系数（Cp）产生1484瓦的电力。Cp是产生的电力与水中蕴含的总能量之比。在本例中，仿真模型预计的发电能力为1600瓦，Cp为0.50。鉴于精确匹配物理测试设置的难度，这一结果与实验结果极为吻合。
图4 沿该机匣设计分布的湍流动能图显示了水流与扩散器分离。低效率发电（左）与高效率发电（右）
随后工程师使用经优化的机匣设计又运行了十次关于叶片的迭代工作。与初始设计相比，涡轮产生的扭矩量增加了15%。经CFD优化的设计Cp达到1.22，发电能力达到3892瓦，较初始设计提升近150%。Cp值超过1.0是因为该计算以进水口面积为基础，而出水口面积几乎是进水口的四倍大。完整的设计优化过程用时大约两个星期，相当于使用构建测试法优化设计用时的4%，使用传统CFD方法的25%。
SeaUrchin近期在澳大利亚工程师协会纽卡斯尔分会和澳大利亚杰出人士奖共同赞助的年度杰出工程奖评比中荣获第一。
来源：网络