模拟为喀麦隆带来电力

喀麦隆是一个非洲中部国家，从大西洋一直延伸到乍得湖，大约有2600万人生活在农村，很多人没有电。Ingenieure ohne Grenzen(无国界工程师)是一家德国非营利组织，致力于通过工程改善有需要的人的生活条件万博Ansys流利在喀麦隆农村开发水力涡轮机发电。这个非营利组织的成立是为了利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，该公司已在全球完成了160多个项目。

“喀麦隆的特殊之处在于它靠近赤道，”工程师无国界组织(Engineers Without Borders)的模拟工程师马克西米利安·福尔克(maximilian Falk)说，他参与了这个项目。“这里有很大的水力发电潜力，有很多河流和瀑布。”

这种丰富的流动水，至少在雨季，激励无国界工程师开发一个卡普兰水力涡轮机放置在这些流动的溪流中。水推动叶轮发电。这个概念很简单，但该国的社会和环境条件给工程师们带来了额外的挑战。

喀麦隆工程的挑战

当我们大多数人想到一个村庄时，我们想象的是一些房子聚集在一起。但在喀麦隆，一个村庄的房屋之间的距离可达3到4公里(1.8到2.4英里)。

“基于这些距离，你认为到目前为止，我们试图建造的电网中最昂贵的部分是什么?”福尔克问道。“电线，减少了近50%。”

福尔克说，考虑到涡轮机通常距离第一所房子大约500米到1公里(三分之一到三分之二英里)，剩余电流设备必须用四根电线连接，“在最好的情况下，你至少需要2公里(超过一英里)的电线，这可能完全破坏预算。”所以他们必须仔细设计。

距离的另一个问题是安装计划。如果你需要买一个新的螺丝刀或其他工具，到最近的大城市需要两天的路程。

保持涡轮机设计简单，使用尽可能少的材料是很重要的，这样它们就可以很容易地维护。在这里，喀麦隆实际上给了他们一个独特的优势，因为它有防水的木材，可以用于叶轮轮毂的外壳。

福尔克说:“这实际上是一件非常好的事情，因为你可以走进丛林，砍倒一棵树，用它来做几个叶轮。”

叶轮每两年需要更换一次，所以这种现成的材料使维护变得容易。

在旱季发电

喀麦隆7月至10月旱季短，12月至5月旱季长。当溪流和瀑布逐渐干涸，为涡轮机提供的水量下降时，就很难让涡轮机继续发电。

最初，工程师们很少注意涡轮入口盆地的设计，因为对于一个只产生200瓦功率的设备来说，这似乎并不重要。最初的设计只是在入口处有一个木制的正方形，用来引导水进入涡轮机。

福尔克说:“如果水位很低，涡轮后面就会有一个漩涡，吸入空气，这些空气会增加涡轮内部的空化，从而真正降低叶轮的材料质量，所以我们必须设法避免这种情况。”当时我们在德国还没有合适的测试地点。”

收集数据的唯一方法是与喀麦隆有权使用那里的测试单元的人交谈。当这个人走到测试单元，进行分析并将结果送回德国时，花了一周的时间。基于这些结果，工程师会建议进行更改，然后再等一个星期——这几乎不是一个高效的开发过程。

当无国界工程师组织获得流利的计算流体动力学(CFD)软件万博Ansys SpaceClaim福尔克在文献中发现了一篇关于卡普兰涡轮涡空化的旧工程论文。本文建议在进气盆地的圆筒后方加装翅片，以减少涡流脱落，使整个涡轮的流动更加层流。

使用Fluent模拟金属片鳍很快就发现了这个解决方案中的一个缺陷:鳍片适用于化工厂排气管中的空气，但不适用于水流。

Falk和他的同事们随后开始使用SpaceClaim改变金属薄片鳍的位置和长度，并使用Fluent来确定产生的水流。

福尔克说:“我们发现，这个鳍片可以引导水流到涡轮机后面。”流入涡轮机的进口水流来自一个方向，因此涡轮机距离进口较远的部分接收到的水比开口少，导致空化和发电效率低下。

使用SpaceClaim和Fluent，他们对盆地末端的角度进行了实验。通过将它与流入的水流成45度角，它有点像文丘里喷嘴，增加了水的速度。这一变化同时为涡轮机的各个部分提供了更稳定的水流，减少了气蚀，使其运行更加平稳。

福尔克说:“我们之前没有想过改变角度——这只是模拟的结果。”

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