小型H型垂直軸風(fēng)機(jī)安裝角度的CFD數(shù)值模擬與分析

李健，孟憲舉，李少峰，張榮建

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063000)

風(fēng)能作為一種潔凈的自然能源，不存在環(huán)境污染問題，而且儲量大，分布廣，是最廉價(jià)、最清潔、最有開發(fā)價(jià)值的新能源。在眾多的可再生能源中，風(fēng)能以其巨大的優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿κ艿饺藗兊那嗖A，被世界各國優(yōu)先采用。我國十分重視風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)，隨著《可再生能源法》的出臺，勢必加快我國風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展。

目前世界上應(yīng)用較普遍的主要還是水平軸風(fēng)力機(jī)，然而，隨著對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究深入，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢漸漸顯現(xiàn)出來。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)還有總體結(jié)構(gòu)合理，對葉片的結(jié)構(gòu)要求低，不需要對風(fēng)偏航機(jī)構(gòu)，運(yùn)行條件寬松等優(yōu)點(diǎn)。因此，相對于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低、無噪聲等眾多優(yōu)點(diǎn)，具

有更加廣闊的市場應(yīng)用前景。目前為止，還沒有一套系統(tǒng)的理論方法用于研究H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，致使垂直軸風(fēng)力機(jī)在很長一段時(shí)間內(nèi)沒有得到發(fā)展，CFD技術(shù)的發(fā)展為小型H型風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來了福音。

對于同一翼型H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，當(dāng)改變?nèi)~片安裝角度時(shí)，對風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能影響十分大。在風(fēng)輪安裝之前，必須對葉片在不同安裝角度下的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算以確定最佳安裝角度。針對小型H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，建立風(fēng)輪外流場模型，利用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent對不同安裝角下的風(fēng)輪功率及利用率進(jìn)行計(jì)算，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析確定風(fēng)輪最佳安裝角。

1 流體動(dòng)力學(xué)控制方程

流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。本文不考慮到系統(tǒng)內(nèi)能量交換，因此不涉及能量守恒定律。

1.1 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律表述為:單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈的質(zhì)量。為使流入控制體和流出控制體的流體質(zhì)量相同，必須滿足連續(xù)性方程:即一個(gè)封閉表面內(nèi)所包含的流體質(zhì)量增加的速率，必定等于這一表面所包含的體積中流進(jìn)和流出的流量之差。因而連續(xù)方程可表示為:

1.2 動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes方程)

動(dòng)量守恒方程也是任何流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律表述為:微元體中流體的動(dòng)量對時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力的和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律。技照這一定律，可以導(dǎo)出X，Y和Z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程。

2 建立CFD模型

2.1 風(fēng)輪模型簡化

垂直軸風(fēng)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)需要簡化，風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件對風(fēng)輪周圍的流場影響不大，在CFD建模時(shí)可以簡化掉。采用三維計(jì)算模型花費(fèi)時(shí)間較長，如采用二維模型將會大大減少計(jì)算時(shí)間和資源。二維計(jì)算忽略了兩端的損失，計(jì)算結(jié)果會比三維的大，但是計(jì)算結(jié)果仍能反映風(fēng)能的氣動(dòng)規(guī)律。因此建立二維模型計(jì)算較好。簡化后的模型如圖1所示。圖1中α為葉片安裝攻角，R為葉片安裝半徑，x為葉片弦長。風(fēng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪參數(shù)

圖1 簡化后的2D風(fēng)輪模型

2.2 網(wǎng)格劃分

采用動(dòng)網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，需要將計(jì)算區(qū)域分成靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域。圖2中矩形為靜止區(qū)域，圖3中圓周內(nèi)部為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，圖4為葉片網(wǎng)格圖。網(wǎng)格總數(shù)在15萬左右。

圖2 風(fēng)輪外流場計(jì)算區(qū)域

圖3 風(fēng)輪區(qū)域局部放大

圖4 葉片周圍網(wǎng)格圖

2.3 計(jì)算和邊界條件

在給定風(fēng)速為12 m/s，葉片安裝角度分別為0、4、5、6、7、8、9(單位:度)情況下進(jìn)行計(jì)算。為更好說明問題，改變來流風(fēng)速為4 m/s，8 m/s針對葉片安裝角度為最佳安裝角以及鄰邊角度模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)在不同風(fēng)速下獲得最大功率和利用率的角度確定最佳安裝角。

如圖2所示為風(fēng)輪外流場計(jì)算域，假定風(fēng)由左側(cè)向右側(cè)吹，邊界條件設(shè)定如下:

(1)入口邊界:位于矩形左側(cè)為速度邊界。

(2)出口邊界:位于矩形右側(cè)為壓力邊界，給定壓力為0Pa(相對壓力)。

(3)壁面邊界:流場中有兩種壁面邊界，一種是如圖2中矩形的上下兩邊，壁面處的風(fēng)速不為0，將其設(shè)為靜止的滑移壁面。第二種是入圖3中圓內(nèi)部葉片是真實(shí)存在的壁面，葉片在旋轉(zhuǎn)，將其設(shè)為移動(dòng)壁面。在圓內(nèi)流體區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)入口風(fēng)速不同進(jìn)行不同設(shè)置。

(4)滑移面:由于采用了移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的網(wǎng)格和靜止網(wǎng)格的交接面，應(yīng)設(shè)置成interface。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖5至6為來流風(fēng)速為12 m/s，葉片安裝角度分別為0、4、5、6、7、8、9(單位:度)的氣動(dòng)性能曲線圖。其中，圖5為不同安裝角度模型風(fēng)能利用率隨尖速比變化曲線圖，圖6為不同安裝角度模型風(fēng)輪功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖。

圖5 風(fēng)速為12 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪尖速比—風(fēng)能利用率曲線

圖6 風(fēng)速為12 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一功率曲線

從圖5、6中，可以看出垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能隨葉片安裝角度同變化很大。當(dāng)安裝角度在0度時(shí)，其風(fēng)能利用率、功率遠(yuǎn)低于其他安裝角下的風(fēng)輪模型;當(dāng)安裝角度在4度到9度之間時(shí)，圖中顯示的各氣動(dòng)性能曲線形狀十分接近。在轉(zhuǎn)速為2rad/s時(shí)，不同安裝角度模型的風(fēng)能利用率和功率差別不大，隨著轉(zhuǎn)速增加，由葉片安裝角的不同引起的各氣動(dòng)性能參數(shù)差異越顯明顯，風(fēng)輪的氣動(dòng)性能變化較大，在安裝角度為6度，風(fēng)輪的氣動(dòng)性能最優(yōu)，在10rad/s轉(zhuǎn)速下，風(fēng)輪的風(fēng)能利用率和功率達(dá)到最大值，最大功率為5815.95W，利用率為34.34%。隨著葉片轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，風(fēng)輪的氣動(dòng)性能隨之下降。

為了更好的證明最佳角度為6度，在原模型的基礎(chǔ)上改變來流風(fēng)速為4 m/s、8 m/s，針對葉片安裝角度為5、6、7度模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算獲得不同葉片安裝角的風(fēng)輪氣動(dòng)性能曲線如圖7至10所示。

圖7 風(fēng)速為4 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪尖速比—風(fēng)能利用率曲線

圖8 風(fēng)速為4 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一功率曲線

圖9 風(fēng)速為8 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪尖速比—風(fēng)能利用率曲線

圖10 風(fēng)速為8 m/s時(shí)，不同安裝角下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速一功率曲線

從圖中可以看出，在風(fēng)速為4 m/s和8 m/s時(shí)，圖中所示幾種葉片安裝角度風(fēng)輪的風(fēng)能利用率和功率十分接近，在4 m/s的時(shí)候，6度和7度最大功率和利用率基本上重合，均略高于5度。在8 m/s時(shí)，6度的風(fēng)能利用率和功率最高，7度其次，5度最低。

通過不同風(fēng)速的對比可以看出，隨著風(fēng)速的不斷增大，風(fēng)機(jī)功率和風(fēng)能利用率也不斷增大。

4 結(jié)論

本文計(jì)算不同安裝角度的風(fēng)輪在來流風(fēng)速為4m/s，8m/s和12m/s情況下的數(shù)值分析，給出在不同狀態(tài)下的氣動(dòng)曲線對比。由CFD數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可知，在進(jìn)行小型H型風(fēng)輪的設(shè)計(jì)時(shí)，葉片的安裝角度，對風(fēng)輪的氣動(dòng)性能影響十分大。通過不同風(fēng)速下安裝角計(jì)算的結(jié)果表明:對于3葉片風(fēng)輪模型而言，當(dāng)葉片安裝角為6度左右時(shí)，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)能獲得最優(yōu)的氣動(dòng)性能。

［1］廖康平.垂直風(fēng)機(jī)葉輪空氣動(dòng)力學(xué)性能研究［D］.哈爾賓工程大學(xué)，2006.11.

［2］田海嬌.垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展概述［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2006(11):30-31.

［3］嚴(yán)坤政.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置與葉片氣動(dòng)力分析］D］.臺南科技大學(xué)，2004.7.

［4］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］楊慧杰，楊文通.小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在國內(nèi)外的新發(fā)展［J］.電力需求與管理，2007(3):40.

［6］鄭云.小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.11.