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村地區,而且許多地區至今沒有通電。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為有需要的人群改善生活條件。該組織利用Ansys Fluent開發了一種用于在喀麥隆農村地區發電的水力渦輪機。這家非營利組織成立的宗旨是,使用工程技術解決世界上欠發達地區的重大挑戰。自2003年成立以來,該組織已經在全球完成了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,所以這里的水力發電潛力巨大?!?/span>
這些充足的流動水(至少在雨季時期是這樣)激發了無國界工程師組織的靈感,工程師遂開發出了一種放置在流動水中的卡普蘭水力渦輪機,水流帶動葉輪轉動,從而產生電力。雖然設計概念非常簡單,但這個國家的社會和環境條件給工程師帶來了額外的挑戰。
在喀麥隆開展工程所面臨的挑戰
我們大多數人想到村莊時,腦海里會浮現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的電網中成本最高的?”Falk說道。“是電線,電線成本幾乎占了總成本的50%。”
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),而且剩余電流設備必須使用四根電線進行連接,Falk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算?!彼运麄儽仨氈斏鞯亻_展設計。
除了距離方面的另一個問題是安裝規劃。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,因此這種現成的材料讓維護變得更加方便。
旱季發電
喀麥隆7月-10月會經歷短暫的旱季,從12月到次年5月則會經歷漫長的旱季。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電。
最開始,工程師幾乎沒有關注渦輪機入口水池的設計,因為對于一個僅能產生200瓦電力的設備來說,這似乎并不重要。所以,原始的設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部的氣蝕現象并損壞葉輪的材料,”Falk說道,“因此我們必須設法規避這一情況。但當時,我們在德國沒有合適的測試場地。”
當時收集數據的唯一方法,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行分析,并將結果發送回德國時,已經過去了一周的時間。根據這些結果,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,工程師很快就發現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來確定由此產生的水流。
“我們發現,這種翅片能夠引導渦輪機后面的水流,”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,從而導致氣蝕現象和發電效率較低。
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定的水流,從而減少了氣蝕并使其運行更加平穩。
“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果,”Falk說道。
新冠疫情封鎖和內戰使項目延期

在新冠疫情爆發前,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戰之中,在喀麥隆負責保持渦輪機運行的人員很難在現場繼續完成項目。
但是,工程師們繼續在德國使用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。
(文章來源公眾號:Ansys)
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
關于億道電子
億道電子技術有限公司(英文名稱:Emdoor Electronics Technology Co.,Ltd)是國內資深的研發工具軟件提供商,公司成立于 2002 年,面向中國廣大的制造業客戶提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件開發工具,致力于幫助客戶提高研發管理效率、縮短產品設計周期,提升產品可靠性。
20 年來,先后與 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戰略合作伙伴關系,并作為他們在中國區的主要分銷合作伙伴服務了數千家中國本土客戶,為客戶提供從芯片級開發工具、EDA 設計工具、軟件編譯以及測試工具、結構設計工具、仿真工具、電氣設計工具、以及嵌入式 GUI 工具等等。億道電子憑借多年的經驗積累,真正的幫助客戶實現了讓研發更簡單、更可靠、更高效的目標。

歡迎關注“億道電子”公眾號
了解更多研發工具軟件知識

首頁 > 新聞資訊
