升力型風(fēng)機葉片的氣動性能數(shù)值研究

陳冬贏 韓 雪 于海濤

(1.黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

0 引言

我國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，我們的生存環(huán)境日益惡化，能源供應(yīng)十分緊張。因此，改善能源結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染，開發(fā)清潔、可再生能源引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。風(fēng)能因其清潔環(huán)保，儲量豐富，不產(chǎn)生溫室氣體，可再生等優(yōu)點成為了人類積極開發(fā)的能源之一[4]。目前，風(fēng)能利用的最主要形式就是風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)力機是風(fēng)能發(fā)電的重要設(shè)備，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。我國現(xiàn)在運行的風(fēng)機平均運行效率只有40%～60%，低于國家要求的70%[5]，而作為風(fēng)力機的核心部件的葉片的氣動性能的優(yōu)劣直接決定了風(fēng)能的利用率大小，因此，風(fēng)力機葉片的氣動性能研究尤為重要。本文以翼型NACA0018的葉片為研究對象，基于計算流體力學(xué)中的動網(wǎng)格技術(shù)，對其進行多個風(fēng)速下數(shù)值模擬進而研究它的氣動性能，為設(shè)計出高效能的風(fēng)力機奠定基礎(chǔ)。

1 基本參數(shù)

1.1 扭矩系數(shù)

常用扭矩系數(shù)來表示風(fēng)力機輸出扭矩的大小，其表達式如下:

其中，CM為扭矩系數(shù);M為扭矩，N·m;r為空氣密度，kg/cm3;v為來流風(fēng)速，m/s;S為風(fēng)輪掃掠過面積，m2;R為葉輪半徑，m。

1.2 輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)

風(fēng)力機有效功率即風(fēng)力機輸出功率，是風(fēng)力發(fā)電機的重要參數(shù)，其計算表達式如下:

其中，N為風(fēng)力機的有效功率，W;w為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

風(fēng)能利用系數(shù)作為風(fēng)力機最重要的特性參數(shù)之一，它是風(fēng)力機功率與風(fēng)輪掃掠面內(nèi)風(fēng)能總量的比值來定義的，常用Cp表示，其表達式如下:

其中，P為風(fēng)力發(fā)電機功率，W。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

本文以升力型三葉片風(fēng)力機為示例風(fēng)機，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。葉片翼型為NACA0018，對葉片氣動性能進行數(shù)值模擬。其參數(shù)為:葉片弦長0.7 m，風(fēng)輪直徑3.6 m，受風(fēng)高度12 m，額定風(fēng)速12 m/s。

圖1 風(fēng)機結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.2 劃分網(wǎng)格

采用Gambit軟件對葉片進行網(wǎng)格劃分，生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其具有可以簡單直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、制定模型區(qū)域大小等優(yōu)點。

其中圓形以外區(qū)域為靜區(qū)域，其圖形規(guī)整，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，生成四邊形網(wǎng)格;圓形內(nèi)部為動網(wǎng)格區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，生成三角形網(wǎng)格;其中每個葉片上選取200個節(jié)點，圓形邊界選取300個節(jié)點。

2.3 結(jié)果與分析

數(shù)值模擬共分四個工況，轉(zhuǎn)速w分別為120 r/min，160 r/min，200 r/min，240 r/min，采用非線性RNG k—e湍流模型。如圖2所示為葉片扭矩系數(shù)。橫坐標為速度比Vr，Vr=w/V，w為葉片轉(zhuǎn)速，V為額定風(fēng)速。由扭矩系數(shù)計算得到輸出功率變化的曲線如圖3所示，計算得到的風(fēng)能利用系數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖2 扭矩系數(shù)

圖3 輸出功率

由圖2～圖4中可以看到，轉(zhuǎn)速在200 r/min為臨界點，在臨界點之前的速度變化范圍內(nèi)，葉片的扭矩系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，但增大的幅度逐漸減小。葉片的輸出功率和風(fēng)能系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而大幅增加。而在臨界點之后，其扭矩系數(shù)、輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)增幅較小，轉(zhuǎn)速增大對風(fēng)力機結(jié)構(gòu)要求更高，所以轉(zhuǎn)速為200 r/min時，其氣動性能最佳。

由圖3與圖4結(jié)果比較可得，在轉(zhuǎn)速為120 r/min時，兩種數(shù)值模擬方法得出的結(jié)果相近。在轉(zhuǎn)速分別為160 r/min，200 r/min時，動網(wǎng)格數(shù)值計算出來的輸出扭矩小于滑移網(wǎng)格的模擬結(jié)果，輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)略小于滑移網(wǎng)格的模擬結(jié)果。在轉(zhuǎn)速為240 r/min時，動網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果表明，其功率和風(fēng)能利用系數(shù)有小幅增長，而滑移網(wǎng)格數(shù)值結(jié)果顯示其輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)卻急劇下降。

圖4 風(fēng)能利用系數(shù)

3 結(jié)語

本文通過對NACA0018風(fēng)機葉片在四個不同轉(zhuǎn)速下進行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:

1)葉片在轉(zhuǎn)速200 r/min時達到風(fēng)能功率和風(fēng)能系數(shù)的臨界點，其氣動性能最佳，因此確定200 r/min為葉片的額定轉(zhuǎn)速。

2)與滑移網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，在前三個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，風(fēng)能輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)的數(shù)值均在同一數(shù)量級，而最大的轉(zhuǎn)速相差比較多，原因為可能是所取數(shù)據(jù)不在同一周期內(nèi)，對結(jié)果影響比較大?？傮w上驗證了基于動網(wǎng)格技術(shù)的風(fēng)機葉片氣動性能的數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

[1] 李澤椿，朱 蓉，何曉鳳，等.風(fēng)能資源評估及方法研究[J].氣象學(xué)報，2007，65(5):708-717.

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[3] 張國偉，龔光彩，吳 治.風(fēng)能利用的現(xiàn)狀及展望[J].自然雜志，2007，25(1):72-76.

[4] 林宗虎.風(fēng)能及其應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2008，30(6):310-314.

[5] 張智菊，韓 靖.風(fēng)機節(jié)能運行研究現(xiàn)狀[J].土木建筑藝術(shù)文庫，2011，15(1):658-660.