垂直軸風(fēng)輪機(jī)葉片氣動(dòng)特性模擬與分析

楊 溢 譚宗柒 葉惠軍 周玉瓊

（1.三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.重慶市電力公司 萬州供電局，重慶 404000）

目前，世界上應(yīng)用較為普遍的主要是水平軸風(fēng)力機(jī).然而，隨著對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)研究的深入，其優(yōu)勢(shì)也逐漸突顯出來.相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)來說，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有低速性能好、噪聲低、對(duì)環(huán)境破環(huán)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［1］.因此，對(duì)其發(fā)電功率的精確計(jì)算、風(fēng)能利用評(píng)價(jià)以及風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，可以為其它復(fù)雜垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究、設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ).隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，CFD技術(shù)在工程上得到了大規(guī)模的應(yīng)用，采用CFD軟件已能快速準(zhǔn)確模擬H型垂直軸風(fēng)力機(jī)外部流場(chǎng)的非定常流動(dòng)，同時(shí)能獲得各葉片力、扭矩等［2－3］.采用CFD技術(shù)對(duì)小型 H型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究已經(jīng)成為一種非常準(zhǔn)確有效的手段.

1 建立CFD模型

1.1 模型簡(jiǎn)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)需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化.風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)輪周圍的流場(chǎng)影響不大，在CFD建模時(shí)可以簡(jiǎn)化.同時(shí)，考慮到三維模型在計(jì)算時(shí)占用大量?jī)?nèi)存，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)；二維模型在計(jì)算過程中忽略了兩端的損失，計(jì)算結(jié)果會(huì)比三維的略大，但仍然能夠反映風(fēng)能的氣動(dòng)規(guī)律.因此，建立二維的計(jì)算模型.簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示，圖中α為葉片安裝攻角，R為葉片安裝半徑，l為葉片弦長(zhǎng)，其基本參數(shù)見表1.

圖1 垂直軸風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化模型

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪基本參數(shù)

1.2 建立模型

多重坐標(biāo)系模型（Multiple Reference Frame，MRF）的基本思想是把風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域簡(jiǎn)化為葉輪在某一個(gè)位置的瞬時(shí)流場(chǎng)，將非定常問題用定常方法計(jì)算.建模時(shí)將計(jì)算區(qū)域分成靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域.具體建模步驟如下：

1）翼型采用NACA4412翼型截面，其幾何線型由翼型數(shù)據(jù)庫(kù)Profili導(dǎo)出點(diǎn)坐標(biāo)，添加z＝0坐標(biāo)，保存為.dat格式；再導(dǎo)入Fluent前處理軟件Gambit，生成翼型面；將翼型面向x軸負(fù)方向移動(dòng)0.3m，然后繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)－20°，再沿y軸方向移動(dòng)3m；最后以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心復(fù)制其它4個(gè)翼型面，沿圓周方向均勻分布，每個(gè)翼型面間隔72°.這里將翼型面統(tǒng)稱為face.1.

2）分別建立半徑為3.2m、10m的圓面face.2和face.3；執(zhí)行布爾減運(yùn)算，用face.3減去face.2，同時(shí)保留face.2，得到一個(gè)圓環(huán)即靜止區(qū)域；用face.2減去翼型面face.1，即為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域.

1.3 網(wǎng)格劃分

靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其形狀規(guī)則、網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，有利于進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化［4］.具體步驟如下：

1）在靜止區(qū)域，Elements對(duì)應(yīng)的類型為Quad，Type對(duì)應(yīng)的類型為 Map，Interval Size的值為0.2，面網(wǎng)格個(gè)數(shù)為10 676個(gè)；在轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域Elements對(duì)應(yīng)的類型為Quad，Type對(duì)應(yīng)的類型為Pave，Interval Size的值為0.1，面網(wǎng)格個(gè)數(shù)為3 046個(gè).

2）結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)以及后續(xù)Fluent計(jì)算需要，設(shè)置邊界條件和流場(chǎng)區(qū)域類型.最終的網(wǎng)格圖如圖2所示，輸出二維網(wǎng)格文件.msh.

圖2 垂直軸風(fēng)力機(jī)模型網(wǎng)格圖

2 數(shù)值仿真與分析

空氣流動(dòng)要遵循基本物理守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律.由于低速流動(dòng)下風(fēng)輪周圍的流動(dòng)為定常流動(dòng)，將空氣視為常溫下不可壓縮流體，不考慮傳熱影響，無需求解能量守恒方程.其公式如（1）～（3）所示［5］：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

將.msh文件導(dǎo)入Fluent中，選擇二維單精度求解器.檢查網(wǎng)格后設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，最后設(shè)定流體區(qū)域的邊界條件.計(jì)算殘差迭代過程如圖3所示.

圖3 計(jì)算過程殘差迭代圖

設(shè)風(fēng)輪的額定風(fēng)速為12m／s，額定轉(zhuǎn)速為9.0 rad／s，最后利用 MRF模型進(jìn)行求解，其中方程離散采用二階迎風(fēng)格式（second order upwind），壓力速度耦合采用Simple計(jì)算.設(shè)定殘差收殮級(jí)數(shù)為0.000 01，迭代次數(shù)設(shè)為4 000，所得結(jié)果分別如圖4～7所示.

從圖4、圖5壓力分布圖可以看出，葉片所受壓強(qiáng)的最大值為2 260Pa，葉片處壓力波動(dòng)較大；在下翼型面靠近后緣部分出現(xiàn)小渦流；下表面壓強(qiáng)比上表面壓強(qiáng)高，且作用面積大，上下表面的壓力差構(gòu)成了葉片的升力.

從圖6可以看出，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片所在的圓域，即旋轉(zhuǎn)區(qū)域，速度較大，其變化也比較大，速度最大為19.25m／s，最小為9.86m／s；速度向區(qū)域內(nèi)外逐漸減小，中心處速度為0.從圖7可以看出，NACA4412翼型升力系數(shù)較大，阻力系數(shù)低，具有較大的升阻比，其氣動(dòng)性能較好.

圖7 升力、阻力系數(shù)迭代圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過Gambit建立了翼型面為NACA4412的小型H型垂直軸風(fēng)機(jī)葉片的二維模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，在額定風(fēng)速為12m／s，額定轉(zhuǎn)速為9.0rad／s的條件下，利用Fluent軟件中的MRF模型對(duì)攻角為20°的五葉片二維風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，葉片所受壓強(qiáng)的最大值為2 260Pa，且波動(dòng)較大；垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片所在的圓域，即旋轉(zhuǎn)區(qū)域，速度較大，其變化也比較大，速度最大為19.25m／s，最小為9.86 m／s；速度向區(qū)域內(nèi)外逐漸減小，中心處速度為0.結(jié)果表明，該翼型具有較好的升阻比，有利于提高風(fēng)力機(jī)的效率，可以為葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供參考.

［1］ 廖明夫，Gasch R，Twele J.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］ 陳丁剛.垂直軸風(fēng)力機(jī)直葉片的力學(xué)性能分析［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

［3］ 王巧紅，張洛明，李 博.小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（4）：216－218.

［4］ 于 勇.Fluent入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

［5］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：120－123.