首頁 > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Simulation Brings Electricity to Cameroon》
喀麥隆是一個從大西洋一直延伸到乍得湖（Lake Chad）的中非國家，那里大約有2600萬人主要生活在農(nóng)村地區(qū)，而且許多地區(qū)至今沒有通電。Ingenieure ohne Grenzen（無國界工程師組織）是一家德國非營利組織，致力于通過工程技術(shù)為有需要的人群改善生活條件。該組織利用Ansys Fluent開發(fā)了一種用于在喀麥隆農(nóng)村地區(qū)發(fā)電的水力渦輪機。這家非營利組織成立的宗旨是，使用工程技術(shù)解決世界上欠發(fā)達地區(qū)的重大挑戰(zhàn)。自2003年成立以來，該組織已經(jīng)在全球完成了160多個項目。
“喀麥隆的特別之處在于，它靠近赤道，”無國界工程師組織曾參與該項目的仿真工程師Maximillian Falk表示，“因為有諸多河流和瀑布，所以這里的水力發(fā)電潛力巨大。”
這些充足的流動水（至少在雨季時期是這樣）激發(fā)了無國界工程師組織的靈感，工程師遂開發(fā)出了一種放置在流動水中的卡普蘭水力渦輪機，水流帶動葉輪轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生電力。雖然設(shè)計概念非常簡單，但這個國家的社會和環(huán)境條件給工程師帶來了額外的挑戰(zhàn)。
在喀麥隆開展工程所面臨的挑戰(zhàn)
我們大多數(shù)人想到村莊時，腦海里會浮現(xiàn)出一座座密集的房屋。但是在喀麥隆，被視為村莊的地方的房屋之間，可能相距3到4公里（1.8到2.4英里）。
“在如此遠距離的條件下，哪個部分是我們想建設(shè)的電網(wǎng)中成本最高的？”Falk說道。“是電線，電線成本幾乎占了總成本的50%?！?/span>
考慮到渦輪機通常距離第一所房屋大約500米到一公里（三分之一到三分之二英里），而且剩余電流設(shè)備必須使用四根電線進行連接，F(xiàn)alk表示：“在最好的情況下也需要至少2公里（超過一英里）的電線，這可能會大大超出預(yù)算。”所以他們必須謹慎地開展設(shè)計。
除了距離方面的另一個問題是安裝規(guī)劃。如果工程師需要買一把新的螺絲刀或其它工具，到最近的大城市需要兩天的路程。
確保渦輪機的設(shè)計簡單，使用盡可能少的材料，這一點非常重要，因為這樣就可以輕松地進行維護。在這一方面，喀麥隆實際上有一個獨特的優(yōu)勢，該國有一種防水木材，可用于制作葉輪輪轂的外殼。
Falk表示：“這真是太好了，因為我們可以直接走進叢林，砍下一棵樹，然后用它來制作一些葉輪。”
葉輪需要每兩年更換一次，因此這種現(xiàn)成的材料讓維護變得更加方便。
旱季發(fā)電
喀麥隆7月-10月會經(jīng)歷短暫的旱季，從12月到次年5月則會經(jīng)歷漫長的旱季。當溪流和瀑布干涸、渦輪機供水處于較低水平時，很難讓渦輪機保持發(fā)電。
最開始，工程師幾乎沒有關(guān)注渦輪機入口水池的設(shè)計，因為對于一個僅能產(chǎn)生200瓦電力的設(shè)備來說，這似乎并不重要。所以，原始的設(shè)計只是在入口處放置一個木制方形槽，用于將水引至渦輪機。
“如果水位較低，渦輪機后面形成的渦流會吸入空氣，而空氣會增加渦輪機內(nèi)部的氣蝕現(xiàn)象并損壞葉輪的材料，”Falk說道，“因此我們必須設(shè)法規(guī)避這一情況。但當時，我們在德國沒有合適的測試場地。”
當時收集數(shù)據(jù)的唯一方法，是詢問喀麥隆能夠使用測試裝置的人員。等這名人員使用測試裝置執(zhí)行分析，并將結(jié)果發(fā)送回德國時，已經(jīng)過去了一周的時間。根據(jù)這些結(jié)果，工程師會提出修改建議，然后又得等待一周，這幾乎不可能成為有效的開發(fā)流程。
不過，當無國界工程師組織采用了Ansys Fluent計算流體力學(CFD)軟件和Ansys SpaceClaim，而且Falk在文獻資料中找到之前一篇關(guān)于卡普蘭渦輪機渦流氣蝕的工程論文，上述情況終于得到了顯著改善。該論文建議在入口水池中的氣缸后面安裝一個翅片，來減少渦旋脫落，并使整個渦輪機的流動更加層流化。
在使用Fluent進行鈑金翅片仿真時，工程師很快就發(fā)現(xiàn)了這種解決方案的一個缺陷：翅片適用于化工廠排氣煙囪中的空氣，但不適用于水流。
Falk和他的同事們隨后開始使用SpaceClaim來改變鈑金翅片的位置和長度，并使用Fluent來確定由此產(chǎn)生的水流。
“我們發(fā)現(xiàn)，這種翅片能夠引導(dǎo)渦輪機后面的水流，”Falk說道。由于進入渦輪機的水流來自同一個方向，因此遠離入口的渦輪機部分接收到的水流，少于入口處的水流，從而導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象和發(fā)電效率較低。
他們使用SpaceClaim和Fluent對水池末端的角度進行了實驗。將翅片與流入的水流成45度角放置時，它的作用有點類似于文丘里噴嘴，這樣就增加了水流的速度。這一變化讓渦輪機的各個部分同時獲得了更穩(wěn)定的水流，從而減少了氣蝕并使其運行更加平穩(wěn)。
“我們以前從來沒有考慮過改變角度，而這完全是仿真帶來的結(jié)果，”Falk說道。
新冠疫情封鎖和內(nèi)戰(zhàn)使項目延期
在新冠疫情爆發(fā)前，無國界工程師組織曾前往喀麥隆進行過一次考察，在此期間，他們安裝了4臺200瓦的渦輪發(fā)電機來為村民供電。后來由于新冠疫情封鎖以及喀麥隆處于內(nèi)戰(zhàn)之中，在喀麥隆負責保持渦輪機運行的人員很難在現(xiàn)場繼續(xù)完成項目。
但是，工程師們繼續(xù)在德國使用Ansys仿真軟件，通過運行仿真不斷改進水輪機的設(shè)計，成功將電力輸出提高到350瓦并解決了渦輪機中的泥沙堆積問題和其它挑戰(zhàn)。
（文章來源公眾號：Ansys）
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