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）
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