首頁(yè) > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Simulation Brings Electricity to Cameroon》
喀麥隆是一個(gè)從大西洋一直延伸到乍得湖（Lake Chad）的中非國(guó)家，那里大約有2600萬(wàn)人主要生活在農(nóng)村地區(qū)，而且許多地區(qū)至今沒(méi)有通電。Ingenieure ohne Grenzen（無(wú)國(guó)界工程師組織）是一家德國(guó)非營(yíng)利組織，致力于通過(guò)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(jī)。這家非營(yíng)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(dá)地區(qū)的重大挑戰(zhàn)。自2003年成立以來(lái)，該組織已經(jīng)在全球完成了160多個(gè)項(xiàng)目。
“喀麥隆的特別之處在于，它靠近赤道，”無(wú)國(guó)界工程師組織曾參與該項(xiàng)目的仿真工程師Maximillian Falk表示，“因?yàn)橛兄T多河流和瀑布，所以這里的水力發(fā)電潛力巨大?！?/span>
這些充足的流動(dòng)水（至少在雨季時(shí)期是這樣）激發(fā)了無(wú)國(guó)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(dòng)水中的卡普蘭水力渦輪機(jī)，水流帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生電力。雖然設(shè)計(jì)概念非常簡(jiǎn)單，但這個(gè)國(guó)家的社會(huì)和環(huán)境條件給工程師帶來(lái)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(shí)，腦海里會(huì)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(yuǎn)距離的條件下，哪個(gè)部分是我們想建設(shè)的電網(wǎng)中成本最高的？”Falk說(shuō)道。“是電線，電線成本幾乎占了總成本的50%?！?/span>
考慮到渦輪機(jī)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(jìn)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(guò)一英里）的電線，這可能會(huì)大大超出預(yù)算?！彼运麄儽仨氈?jǐn)慎地開展設(shè)計(jì)。
除了距離方面的另一個(gè)問(wèn)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(jī)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用盡可能少的材料，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@樣就可以輕松地進(jìn)行維護(hù)。在這一方面，喀麥隆實(shí)際上有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，該國(guó)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?yàn)槲覀兛梢灾苯幼哌M(jìn)叢林，砍下一棵樹，然后用它來(lái)制作一些葉輪?！?/span>
葉輪需要每?jī)赡旮鼡Q一次，因此這種現(xiàn)成的材料讓維護(hù)變得更加方便。
旱季發(fā)電
喀麥隆7月-10月會(huì)經(jīng)歷短暫的旱季，從12月到次年5月則會(huì)經(jīng)歷漫長(zhǎng)的旱季。當(dāng)溪流和瀑布干涸、渦輪機(jī)供水處于較低水平時(shí)，很難讓渦輪機(jī)保持發(fā)電。
最開始，工程師幾乎沒(méi)有關(guān)注渦輪機(jī)入口水池的設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)僅能產(chǎn)生200瓦電力的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這似乎并不重要。所以，原始的設(shè)計(jì)只是在入口處放置一個(gè)木制方形槽，用于將水引至渦輪機(jī)。
“如果水位較低，渦輪機(jī)后面形成的渦流會(huì)吸入空氣，而空氣會(huì)增加渦輪機(jī)內(nèi)部的氣蝕現(xiàn)象并損壞葉輪的材料，”Falk說(shuō)道，“因此我們必須設(shè)法規(guī)避這一情況。但當(dāng)時(shí)，我們?cè)诘聡?guó)沒(méi)有合適的測(cè)試場(chǎng)地?！?/span>
當(dāng)時(shí)收集數(shù)據(jù)的唯一方法，是詢問(wèn)喀麥隆能夠使用測(cè)試裝置的人員。等這名人員使用測(cè)試裝置執(zhí)行分析，并將結(jié)果發(fā)送回德國(guó)時(shí)，已經(jīng)過(guò)去了一周的時(shí)間。根據(jù)這些結(jié)果，工程師會(huì)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(guò)，當(dāng)無(wú)國(guó)界工程師組織采用了Ansys Fluent計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件和Ansys SpaceClaim，而且Falk在文獻(xiàn)資料中找到之前一篇關(guān)于卡普蘭渦輪機(jī)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(gè)翅片，來(lái)減少渦旋脫落，并使整個(gè)渦輪機(jī)的流動(dòng)更加層流化。
在使用Fluent進(jìn)行鈑金翅片仿真時(shí)，工程師很快就發(fā)現(xiàn)了這種解決方案的一個(gè)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(lái)改變鈑金翅片的位置和長(zhǎng)度，并使用Fluent來(lái)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(jī)后面的水流，”Falk說(shuō)道。由于進(jìn)入渦輪機(jī)的水流來(lái)自同一個(gè)方向，因此遠(yuǎn)離入口的渦輪機(jī)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(duì)水池末端的角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。將翅片與流入的水流成45度角放置時(shí)，它的作用有點(diǎn)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(jī)的各個(gè)部分同時(shí)獲得了更穩(wěn)定的水流，從而減少了氣蝕并使其運(yùn)行更加平穩(wěn)。
“我們以前從來(lái)沒(méi)有考慮過(guò)改變角度，而這完全是仿真帶來(lái)的結(jié)果，”Falk說(shuō)道。
新冠疫情封鎖和內(nèi)戰(zhàn)使項(xiàng)目延期
在新冠疫情爆發(fā)前，無(wú)國(guó)界工程師組織曾前往喀麥隆進(jìn)行過(guò)一次考察，在此期間，他們安裝了4臺(tái)200瓦的渦輪發(fā)電機(jī)來(lái)為村民供電。后來(lái)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(fù)責(zé)保持渦輪機(jī)運(yùn)行的人員很難在現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)完成項(xiàng)目。
但是，工程師們繼續(xù)在德國(guó)使用Ansys仿真軟件，通過(guò)運(yùn)行仿真不斷改進(jìn)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，成功將電力輸出提高到350瓦并解決了渦輪機(jī)中的泥沙堆積問(wèn)題和其它挑戰(zhàn)。
（文章來(lái)源公眾號(hào)：Ansys）
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