计算流体动力学 | 仿真技术助力喀麦隆供电
发布时间:2023-02-21

本文原载于Ansys Advantage:《Simulation Brings Electricity to Cameroon》



喀麦隆是一个从大西洋一直延伸到乍得湖(Lake Chad)的中非国家,那里大约有2600万人主要生活在农村地区,而且许多地区至今没有通电。Ingenieure ohne Grenzen(无国界工程师组织)是一家德国非营利组织,致力于通过工程技术为有需要的人群改善生活条件。该组织利用Ansys Fluent开发了一种用于在喀麦隆农村地区发电的水力涡轮机。这家非营利组织成立的宗旨是,使用工程技术解决世界上欠发达地区的重大挑战。自2003年成立以来,该组织已经在全球完成了160多个项目。



“喀麦隆的特别之处在于,它靠近赤道,”无国界工程师组织曾参与该项目的仿真工程师Maximillian Falk表示,“因为有诸多河流和瀑布,所以这里的水力发电潜力巨大。”


这些充足的流动水(至少在雨季时期是这样)激发了无国界工程师组织的灵感,工程师遂开发出了一种放置在流动水中的卡普兰水力涡轮机,水流带动叶轮转动,从而产生电力。虽然设计概念非常简单,但这个国家的社会和环境条件给工程师带来了额外的挑战。


在喀麦隆开展工程所面临的挑战


我们大多数人想到村庄时,脑海里会浮现出一座座密集的房屋。但是在喀麦隆,被视为村庄的地方的房屋之间,可能相距3到4公里(1.8到2.4英里)。


“在如此远距离的条件下,哪个部分是我们想建设的电网中成本最高的?”Falk说道。“是电线,电线成本几乎占了总成本的50%。”


考虑到涡轮机通常距离第一所房屋大约500米到一公里(三分之一到三分之二英里),而且剩余电流设备必须使用四根电线进行连接,Falk表示:“在最好的情况下也需要至少2公里(超过一英里)的电线,这可能会大大超出预算。”所以他们必须谨慎地开展设计。


除了距离方面的另一个问题是安装规划。如果工程师需要买一把新的螺丝刀或其它工具,到最近的大城市需要两天的路程。


确保涡轮机的设计简单,使用尽可能少的材料,这一点非常重要,因为这样就可以轻松地进行维护。在这一方面,喀麦隆实际上有一个独特的优势,该国有一种防水木材,可用于制作叶轮轮毂的外壳。


Falk表示:“这真是太好了,因为我们可以直接走进丛林,砍下一棵树,然后用它来制作一些叶轮。”


叶轮需要每两年更换一次,因此这种现成的材料让维护变得更加方便。


旱季发电


喀麦隆7月-10月会经历短暂的旱季,从12月到次年5月则会经历漫长的旱季。当溪流和瀑布干涸、涡轮机供水处于较低水平时,很难让涡轮机保持发电。


最开始,工程师几乎没有关注涡轮机入口水池的设计,因为对于一个仅能产生200瓦电力的设备来说,这似乎并不重要。所以,原始的设计只是在入口处放置一个木制方形槽,用于将水引至涡轮机。


“如果水位较低,涡轮机后面形成的涡流会吸入空气,而空气会增加涡轮机内部的气蚀现象并损坏叶轮的材料,”Falk说道,“因此我们必须设法规避这一情况。但当时,我们在德国没有合适的测试场地。”


当时收集数据的唯一方法,是询问喀麦隆能够使用测试装置的人员。等这名人员使用测试装置执行分析,并将结果发送回德国时,已经过去了一周的时间。根据这些结果,工程师会提出修改建议,然后又得等待一周,这几乎不可能成为有效的开发流程。


不过,当无国界工程师组织采用了Ansys Fluent计算流体力学(CFD)软件和Ansys SpaceClaim,而且Falk在文献资料中找到之前一篇关于卡普兰涡轮机涡流气蚀的工程论文,上述情况终于得到了显著改善。该论文建议在入口水池中的气缸后面安装一个翅片,来减少涡旋脱落,并使整个涡轮机的流动更加层流化。



在使用Fluent进行钣金翅片仿真时,工程师很快就发现了这种解决方案的一个缺陷:翅片适用于化工厂排气烟囱中的空气,但不适用于水流。


Falk和他的同事们随后开始使用SpaceClaim来改变钣金翅片的位置和长度,并使用Fluent来确定由此产生的水流。


“我们发现,这种翅片能够引导涡轮机后面的水流,”Falk说道。由于进入涡轮机的水流来自同一个方向,因此远离入口的涡轮机部分接收到的水流,少于入口处的水流,从而导致气蚀现象和发电效率较低。


他们使用SpaceClaim和Fluent对水池末端的角度进行了实验。将翅片与流入的水流成45度角放置时,它的作用有点类似于文丘里喷嘴,这样就增加了水流的速度。这一变化让涡轮机的各个部分同时获得了更稳定的水流,从而减少了气蚀并使其运行更加平稳。


“我们以前从来没有考虑过改变角度,而这完全是仿真带来的结果,”Falk说道。


新冠疫情封锁和内战使项目延期



在新冠疫情爆发前,无国界工程师组织曾前往喀麦隆进行过一次考察,在此期间,他们安装了4台200瓦的涡轮发电机来为村民供电。后来由于新冠疫情封锁以及喀麦隆处于内战之中,在喀麦隆负责保持涡轮机运行的人员很难在现场继续完成项目。


但是,工程师们继续在德国使用Ansys仿真软件,通过运行仿真不断改进水轮机的设计,成功将电力输出提高到350瓦并解决了涡轮机中的泥沙堆积问题和其它挑战。


文章来源公众号:Ansys


+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++


关于亿道电子

亿道电子技术有限公司(英文名称:Emdoor Electronics Technology Co.,Ltd)是国内资深的研发工具软件提供商,公司成立于 2002 年,面向中国广大的制造业客户提供研发、设计、管理过程中使用的各种软件开发工具,致力于帮助客户提高研发管理效率、缩短产品设计周期,提升产品可靠性。

20 年来,先后与 Altium、ARM、Ansys、Minitab、Green Hills、EPLAN、QT、QA Systems、MicroFocus、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software 、Autodesk、Source Insight、TeamEDA、IncrediBuild、Adobe等多家全球知名公司建立战略合作伙伴关系,并作为他们在中国区的主要分销合作伙伴服务了数千家中国本土客户,为客户提供从芯片级开发工具、EDA 设计工具、软件编译以及测试工具、结构设计工具、仿真工具、电气设计工具、以及嵌入式 GUI 工具等等。亿道电子凭借多年的经验积累,真正的帮助客户实现了让研发更简单、更可靠、更高效的目标。

欢迎关注“亿道电子”公众号

了解更多研发工具软件知识