模拟为喀麦隆带来电力

喀麦隆是一个中非国家，从大西洋一直延伸到乍得湖，大约有2600万人生活在农村，许多人没有电。“无国界工程师”(Ingenieure ohne Grenzen)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Ansys流利开发一种水力涡轮机，在喀麦隆农村发电。这个非营利组织的成立是为了利用工程技术解决世界欠发达地区的重大挑战。自2003年成立以来，它已在全球完成了160多个项目。

“喀麦隆的特殊之处在于它靠近赤道，”参与该项目的无国界工程师模拟工程师马克西米利安·福尔克(maximilian Falk)说。“这里有很多水电潜力，有很多河流和瀑布。”

这种丰富的流水，至少在雨季，激发了无国界工程师开发卡普兰水力涡轮机的灵感，将其放置在这些流动的溪流中。水带动叶轮发电。这个概念很简单，但是这个国家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，我们想象的是一小部分房屋紧密地聚集在一起。但是在喀麦隆，被认为是村庄的房屋之间可能有3到4公里(1.8到2.4英里)的距离。

“基于这些距离，你认为到目前为止，我们正在努力建设的电网中最昂贵的部分是什么?”福尔克问道。“电线，几乎减少了50%。”

考虑到涡轮机通常距离第一户人家约500米至1公里(三分之一至三分之二英里)，而剩余电流装置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1英里)的电线，这可能会完全破坏预算，”福尔克说。所以他们必须仔细设计。

另一个与距离有关的问题是如何规划安装。如果你需要买一个新的螺丝刀或其他工具，到最近的大城市要花两天的时间。

保持涡轮机的设计简单，尽可能少的材料，是很重要的，所以他们可以很容易地维护。在这里，喀麦隆实际上给了他们一个独特的优势，因为它有一种防水木材，可以用于叶轮轮毂的外壳。

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

叶轮每两年需要更换一次，因此这种现成的材料使维护变得容易。

在旱季发电

喀麦隆的旱季从7月到10月很短，旱季从12月到5月很长。当溪流和瀑布干涸，为涡轮机提供较低水位的水时，很难保持它们发电。

最初，工程师们很少关注涡轮机的进水盆的设计，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的一个木制广场，以引导水进入涡轮机。

福尔克说:“如果水位较低，涡轮机后面就会形成一个漩涡，吸入空气，而这些空气会增加涡轮机内部的空化现象，从而使叶轮的材料退化，所以我们必须设法避开这个问题。”目前，我们在德国还没有合适的测试场地。”

收集数据的唯一方法是与喀麦隆有测试设备的人交谈。当这个人走到测试单元，进行分析并将结果寄回德国时，花了一个星期。基于这些结果，工程师们会建议进行更改，然后再等一周——这几乎不是一个有效的开发过程。

这种情况在无国界工程师组织获得援助后得到了极大的改善流利的计算流体动力学(CFD)软件和Ansys SpaceClaim福尔克在文献中发现了一篇关于卡普兰涡轮涡旋空化的旧工程论文。本文建议在进水口的缸后加装一个翅片，以减少旋涡脱落，使整个涡轮的流动更加层流。

使用Fluent来模拟金属板鳍，很快发现了这个解决方案的一个缺陷:该鳍适用于化工厂排气管中的空气，但不适用于水流。

福尔克和他的同事们随后开始使用spacecclaim来改变金属板鳍的位置和长度，并使用Fluent来确定最终的水流。

福尔克说:“我们发现这个鳍可以引导涡轮机后面的水流。”水轮机的进口水流来自一个方向，因此离进口较远的水轮机部分接受的水比开口少，导致空化，发电效率低。

利用spacecclaim和Fluent，他们对盆底的角度进行了实验。通过将它与流入的水流成45度角，它的作用有点像文丘里喷嘴，增加了水流的速度。这种变化提供了一个更恒定的水流到涡轮机的所有部分，一次，减少空化，使其运行更加平稳。

福尔克说:“我们以前没有想过改变角度——这只是模拟的结果。”

COVID - 19封锁和内战暂时推迟了该项目