计算流体动力学仿真技术助力喀麦隆供电优化

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。

无国界工程师组织的资金全部来自募捐，因此，如果您想了解他们正在开展的其它项目，并为他们的努力贡献一份力量，请访问http://www.ewb-usa.org。该组织在世界各地均设有分支机构。