综述：横流式水轮机在本地发电中的性能评述：基础与应用

这篇综述深入探讨了横流式水轮机（CFHT）的理论、数值模拟与实验研究进展，重点分析了其在农村地区小河流和明渠中作为可再生能源发电装置的应用潜力。文章系统总结了开式（无外壳）和闭式（带导叶和喷嘴）CFHT的性能优化策略，包括叶片数量、形状、进出口角度等设计参数，并对比了体积流体法（VOF）和移动粒子半隐式法（MPS）在预测两相流性能中的优劣。特别强调了通过腔体结构降低噪声和振动的创新设计，为微型/纳米水力发电系统提供了经济高效的解决方案。

　　

横流式水轮机的基础原理

横流式水轮机（CFHT）是一种通过水流可再生能源发电的机械装置，尤其适用于农村地区小河流和明渠的低水头（2-50 m）场景。其核心优势在于结构简单、制造成本低于弗朗西斯（Francis）、佩尔顿（Pelton）等传统水轮机。效率η的计算公式为η = Tω/ρgQH，其中T为扭矩，ρ为密度，Q为流量，H为水头。闭式CFHT通过导叶和喷嘴调控流场，效率可达90%，而开式CFHT虽效率较低（约40-60%），但无需拦污栅维护，更适合偏远地区应用。

数值模拟方法：VOF与MPS的较量

CFHT内部流动涉及气液两相交互，界面变形显著。体积流体法（VOF）通过网格追踪液相体积分数F，适用于正交网格下的两相流模拟，如OpenFOAM和ANSYS中的实现。移动粒子半隐式法（MPS）则采用拉格朗日粒子离散流体，擅长处理大变形界面，如瀑布CFHT的模拟。对比粒子图像测速（PIV）实验数据，两种方法均能准确预测流速场和效率曲线，但VOF在闭式CFHT中应用更广泛，而MPS对开放环境的自由表面捕捉更具优势。

开式横流式水轮机的性能突破

开式CFHT分为瀑布型（中水头）和底流型（低水头）。瀑布型通过优化叶片数（16片）、偏移距离（L/D_o=0.43）和薄型叶片设计，效率提升至60%。底流型则因底部间隙流动加速，扭矩生成机制呈现两阶段特征：前缘冲击压力与科安达（Coanda）效应协同作用。实验显示，增加叶片数可降低功率波动，但需权衡摩擦损失。数值模拟揭示了叶片角度θ=90°附近的二次流冲击是扭矩提升的关键。

闭式横流式水轮机的精密调控

闭式CFHT通过喷嘴倾角（α=15°-24°）、叶片进出口角（β_i=30°, β_o=90°）和直径比（D_i/D_o=0.66-0.68）优化，实现高效能量转换。导叶或滑块（slider）调节流量，避免部分负荷下的流动分离。创新性腔体设计将出口流动从周向转为径向，扭矩提升30%，并抑制129 Hz的叶片通过频率振动，实测噪声降低15 dB。日本Yonako水电站的案例证实，腔体结构在长期运行中无堵塞或磨损问题。

未来展望

CFHT在微型/纳米水电系统中展现出巨大潜力，但开式CFHT的效率仍有提升空间。结合遗传算法或深度学习优化叶片形态，以及探索新型材料降低制造成本，将是未来研究方向。闭式CFHT的腔体设计为振动控制提供了新思路，可推广至其他水力机械。两类CFHT的互补应用，有望推动偏远地区可再生能源供应的技术革新。