多流管模型進(jìn)行流場計算的應(yīng)用

【摘要】本文主要是對垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪空氣動力設(shè)計的研究。首先對各型垂直軸風(fēng)力機(jī)的原理和設(shè)計特點進(jìn)行了分析總結(jié)；其次，以多流管模型為理論基礎(chǔ)，編寫了可用于φ型達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)性能預(yù)測的程序，且程序的可靠性很高；最后，利用FLUENT的滑移網(wǎng)格技術(shù)，對設(shè)計的風(fēng)輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，多流管模型應(yīng)用于該風(fēng)力機(jī)性能的預(yù)測精度很高。

【關(guān)鍵詞】垂直軸風(fēng)力機(jī)；多流管模型；數(shù)值模擬

一、垂直軸風(fēng)力機(jī)概述

雖然目前世界各地的大部分風(fēng)場所用的風(fēng)力機(jī)均為水平軸的，但垂直軸風(fēng)力機(jī)，尤其是達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)，有著優(yōu)越的空氣動力性能，提高了效率，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注[1]。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)。其主要優(yōu)點是可以接受來自任何方向的風(fēng)，因而當(dāng)風(fēng)向改變時，無需對風(fēng)。由于不需要調(diào)向裝置，使它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一個優(yōu)點是齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上，這無疑是一個值得高度評價的特點[2]。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的兩種主要類別：

1、利用空氣動力的阻力作功，典型的結(jié)構(gòu)是S型風(fēng)輪。其優(yōu)點是起動轉(zhuǎn)矩較大，缺點是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。

2、利用翼型的升力作功，最典型的是達(dá)里厄（Darrieus）型風(fēng)力機(jī)。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)有多種形式，φ型、H型、Δ型、Y型和菱形等?；旧鲜侵比~片和彎葉片兩種，以H型風(fēng)輪和φ型風(fēng)輪為典型。葉片具有翼型剖面，空氣繞葉片流動產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。

二、性能計算

2.1理論基礎(chǔ)

對于垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能計算，目前常用的包括單流管理論，多流管和雙多流管理論。單流管理論由于許多假設(shè)條件的嚴(yán)格限制，很多因素的影響都沒有考慮進(jìn)去，當(dāng)需要比較精確的計算結(jié)果時，這種方法就不是很適用。這時一般采用多流管方法。

多流管理論的空氣動力學(xué)模型是以Glaueris葉素理論為基礎(chǔ)的，它利用流動方向的動量方程為基本原理。假設(shè)有若干個流管流過風(fēng)輪，其中每個流管的計算又是以單流管理論為基礎(chǔ)，每個流管中的流體速度不盡相同，它們對葉片產(chǎn)生的作用力也是各不相同的。迭加起來就得到整個風(fēng)輪受到的流體的作用力。

2.2編寫性能計算程序

在編寫程序進(jìn)行計算時，計算的葉尖速比的離散點的個數(shù)記作NTSR。將風(fēng)輪沿著主軸的方向劃分為10份，記作NZH。當(dāng)不考慮風(fēng)切變效應(yīng)時，達(dá)里厄風(fēng)輪關(guān)于過主軸中點并且垂直于主軸的平面上下對稱，因此只需要計算上半部分或下半部分即可。同時將風(fēng)輪沿著其旋轉(zhuǎn)的方向劃分為19份，記作NT。

為驗證程序的可靠性，對參考資料[4]中的φ型達(dá)里厄垂直軸風(fēng)輪進(jìn)行了驗證計算，其高與半徑的比，葉片形狀為正弦曲線。計算葉輪密實度分別為：S=0.1、S=0.2、S=0.3、S=0.4時功率系數(shù)隨葉尖速比變化的曲線，編寫針對此風(fēng)輪的改進(jìn)程序，運行結(jié)果如圖2：

三、風(fēng)輪設(shè)計

3.1基本設(shè)計參數(shù)的確定

考慮到后面要對該風(fēng)力機(jī)制作實物模型并進(jìn)行吹風(fēng)實驗，因此設(shè)計之前對其本身付諸實踐的難易程度和外形尺寸大小都有了嚴(yán)格的要求?；诖?，H型風(fēng)輪自然成為我們研究達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)的首選，而且，風(fēng)輪的外形尺寸給定為高H=400mm，直徑D=500mm。這樣即得到以下一些基本設(shè)計參數(shù)：

3.2性能計算

對于所設(shè)計的風(fēng)輪，計算不同葉輪實度下的性能曲線，如圖3所示：

3.3設(shè)計計算

計算各個葉輪實度下設(shè)計參數(shù)，參見表1：

3.4設(shè)計定型

分析上述各個實度下計算的設(shè)計參數(shù)，采用S=0.6時計算的設(shè)計參數(shù)，作為最后定型的方案，進(jìn)行數(shù)值模擬。

四、CFD數(shù)值模擬

4.1網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是在三個不同的流場區(qū)域上分別進(jìn)行的，最后組裝成單一的網(wǎng)格文件，整個流場的網(wǎng)格劃分情況如圖4：

4.2 FLUENT求解

利用FLUENT求解時，為了通過數(shù)值模擬得到所設(shè)計風(fēng)輪的性能曲線，在理論計算的性能曲線（即S=0.6的性能曲線）上，選取數(shù)據(jù)點來進(jìn)行數(shù)值計算。本文算例選取的數(shù)據(jù)點如表2：

對于每個數(shù)據(jù)點進(jìn)行數(shù)值計算，在監(jiān)視窗口可以查看迭代過程中力矩系數(shù)隨流動時間的變化情況，當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定的周期性，說明非定常的解已經(jīng)趨于穩(wěn)定，可以采集數(shù)值計算的結(jié)果。

全部數(shù)據(jù)點的數(shù)值計算結(jié)果參見表3：

將數(shù)值計算的結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行比較，即圖5：

比較數(shù)值模擬和理論計算的結(jié)果，兩者吻合的情況比較好，但在葉尖速比2.7附近，即對應(yīng)輸出功率最大值的兩邊，兩者的吻合情況較差，而這一范圍的數(shù)據(jù)，常會在設(shè)計中被采用，分析造成兩者差異的主要原因有：

1、理論計算中，計算程序中尖速比離散點的個數(shù)會對功率系數(shù)的最大值產(chǎn)生影響；

2、數(shù)值模擬中計算點的個數(shù)取的太少，采用三次樣條插值后曲線的走勢相對較好，但一些細(xì)節(jié)處的誤差難免存在。

總的來說，多流管理論對垂直軸風(fēng)力機(jī)性能預(yù)測的精度是很高的。數(shù)值模擬的結(jié)果已經(jīng)驗證了這一點。

五、總結(jié)

本文對各型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行分析總結(jié)后，利用多流管理論，編寫了針對φ型達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)性能預(yù)測的程序，利用數(shù)值模擬驗證了理論計算的正確性。對于φ型風(fēng)輪的研究很有參考價值。