某小型風(fēng)機(jī)提高風(fēng)能利用率的研究

李鹿野，張維競(jìng)

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

分布式電網(wǎng)是未來(lái)的新能源發(fā)展趨勢(shì)，小型發(fā)電設(shè)備可以滿(mǎn)足用戶(hù)照明、電器使用等最基本的生活需要，在使用清潔能源的同時(shí)有效降低大型電站輸送過(guò)程中所造成的電能損失。分布式電網(wǎng)常見(jiàn)的利用形式有風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物能等。本文研究的對(duì)象是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

Savonius 小型垂直式風(fēng)機(jī)于1931 年由芬蘭工程師Savonius 提出，其具有能夠在低風(fēng)速下起動(dòng)，不受風(fēng)向限制和結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)［1］。典型結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓形葉片構(gòu)成，斷面呈“S”型(如圖1 所示)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了探究。風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)研究了葉片數(shù)目［2］、高徑比(d/h)［3］以及葉片重疊比(e/d)［3］等參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，得出了各項(xiàng)的最優(yōu)區(qū)間;計(jì)算機(jī)仿真了得到葉片周?chē)黧w的速度矢量分布以及葉片表面各處的壓力分布情況［4－5］。

盡管對(duì)于該型風(fēng)機(jī)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是該型風(fēng)機(jī)的固有缺點(diǎn)依然存在，Savonius 風(fēng)力機(jī)的整體風(fēng)能利用率較其他風(fēng)機(jī)偏低。因此，需要對(duì)該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以規(guī)避上述問(wèn)題。Burcin Deda Altan、Kunio Irabu 等人［6－8］提出了應(yīng)用導(dǎo)流板來(lái)增加風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的方法，但是并沒(méi)有對(duì)導(dǎo)流板的各因素對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響進(jìn)行更為深入的探討。本文通過(guò)數(shù)值仿真方法討論了導(dǎo)流板的各因素對(duì)該型風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響及其合理使用的可能，為該型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 基本方程與計(jì)算方法

本文研究的風(fēng)機(jī)尺寸如圖1 所示，葉片圓弧直徑d=0．5 m，葉片重疊比e/d =0．1，葉片高度h =1 m。

圖1 Savonius 型風(fēng)機(jī)外型

式中 u——流體速度;

u'——脈動(dòng)瞬時(shí)值;x——流體位移;p——流體壓力;ρ——流體密度;μ——流體動(dòng)力粘度;S——源。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型

式中

ε——湍流耗散率;

Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng);

C1ε=1．44，C2ε=1．92。

2 葉片建模與驗(yàn)證

首先建立二維模型，如圖2 所示，其中Vw表示來(lái)流速度，θ 表示葉片位置。針對(duì)上文所述的風(fēng)機(jī)尺寸利用Gambit 建立幾何結(jié)構(gòu)以及生成網(wǎng)格。葉片材質(zhì)為2 mm 厚的鋼板，計(jì)算域?yàn)?0 m×40 m 的矩形區(qū)域，葉片中心距離入口距離10 m。采用混合方法劃分網(wǎng)格，即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，網(wǎng)格處理如圖3 所示，其中，葉片周?chē)植考用?，邊界層首層高? mm，共5 層。圓形區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用Interface 與外部非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格隔開(kāi)，網(wǎng)格總數(shù)為1．7 ×104。

圖2 二維示意圖

圖3 Gambit 網(wǎng)格處理

應(yīng)用Fluent 作為流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器，在二維模型中，左側(cè)為速度入口，上下為壁面，右側(cè)為壓力出口，Vw=14 m/s，時(shí)間屬性為定常流動(dòng)。在此設(shè)定下進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算θ =45°時(shí)不同網(wǎng)格密度下葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩，結(jié)果如表1。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

可以看出網(wǎng)格數(shù)為1．7 ×104可滿(mǎn)足計(jì)算精度，同時(shí)降低計(jì)算量，本文研究中統(tǒng)一采用這種網(wǎng)格密度。

在二維模型的基礎(chǔ)上建立三維模型，建模過(guò)程中應(yīng)用葉片沿轉(zhuǎn)軸方向的對(duì)稱(chēng)性，將一半的風(fēng)機(jī)置于20 m×40 m×1 m 的計(jì)算域中。葉片網(wǎng)格分布如圖4 所示，網(wǎng)格數(shù)量為1．04 ×106。勢(shì)上相吻合，且誤差都在10%以?xún)?nèi)，該數(shù)值模型能夠?yàn)橹蟮臄?shù)值計(jì)算提供較為可靠的計(jì)算基礎(chǔ)?；谶@一事實(shí)，本文的研究均采用二維模型。

圖4 三維葉片示意圖

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

圖5 二維、三維仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Robert 等人對(duì)此風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)［10］，在確定來(lái)流方向條件下，葉片每隔10°轉(zhuǎn)動(dòng)一次，通過(guò)葉片與來(lái)流方向相對(duì)角度的變化來(lái)模擬不同的來(lái)流方向以及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí)的風(fēng)機(jī)表現(xiàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了θ 在特定位置下葉片相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸所產(chǎn)生的力矩大小。本文采用上述實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為本文數(shù)值模型的校正基礎(chǔ)。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)以180°為一個(gè)周期，從風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，葉片在15° ～105°之間輸出力矩較大［11］，而在其余范圍內(nèi)輸出力矩較小，因此本文重點(diǎn)討論在該角度范圍內(nèi)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果。二維、三維仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示，通過(guò)圖5 可以看出，二維、三維數(shù)值仿真均與風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果在整體趨

本文在來(lái)流方向增加導(dǎo)流板，以提高風(fēng)機(jī)效率，安裝導(dǎo)流板的風(fēng)機(jī)俯視圖如圖6 所示，網(wǎng)格細(xì)節(jié)處理如圖7 所示。

圖6 導(dǎo)流板示意圖

圖7 加入導(dǎo)流板后網(wǎng)格處理圖

本文主要討論的導(dǎo)流板影響對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響因素有導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α，導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 以及導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x。

數(shù)值計(jì)算首先討論導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α對(duì)葉片力矩的影響，其中設(shè)定導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1 m，導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離為x=0．025 m。當(dāng)α分別為30°、45°、60°時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生力矩的變化如圖8 所示。計(jì)算中選取力矩較大的三個(gè)位置，即θ分別為35°、45°和55°的情況作為對(duì)比分析。通過(guò)圖8 可以看出，增加導(dǎo)流板后，風(fēng)機(jī)靜態(tài)力矩明顯提高，導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α=60°時(shí)效果最為明顯，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高幅度為20% ～30%;α =30°情況下靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高了10% ～20%;α =45°時(shí)，提高幅度為15% ～30%。α =45°，θ =45°位置處的速度云圖如圖9 所示。

圖8 導(dǎo)流板與來(lái)流角度α 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

圖9 加入導(dǎo)流板后速度云圖

討論導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 對(duì)葉片力矩的影響，固定導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角為α =60°且導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離為x =0．025 m，研究導(dǎo)流板長(zhǎng)度L分別為0．6 m、1 m 與1．4 m 時(shí)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的變化。圖10 的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=0．6 m 時(shí)，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩平均提高25%左右，而當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1． 4 時(shí)，這一數(shù)值可以達(dá)到30% ～40%。因此可以看出導(dǎo)流板越長(zhǎng)帶來(lái)的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高就越明顯。但是隨著導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致更高的制造成本和安全隱患，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)控制導(dǎo)流板長(zhǎng)度在合理的范圍內(nèi)。在今后的研究中，需要對(duì)導(dǎo)流板長(zhǎng)度的合理范圍進(jìn)行更加深入的探索。

圖10 導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

圖11 導(dǎo)流板位置x 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

討論導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x 對(duì)葉片靜態(tài)力矩的影響，取導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1 m，導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α=60°，x 分別為0．025 m、0．01 m 與0．04 m。通過(guò)圖11 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x =0．04 m 時(shí)，在葉片處于θ=35°位置時(shí)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩改善明顯優(yōu)于其他兩種工況，然而當(dāng)葉片處于θ =55°位置時(shí)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩改善效果與其他兩種工況相當(dāng)。說(shuō)明導(dǎo)流板與葉片之間較大的距離并不一定提供更高的靜態(tài)力矩。對(duì)比幾種情況發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)流板位置x，葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩均提高了20% ～30%左右，不同的導(dǎo)流板位置對(duì)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的提升的差異并不明顯，體現(xiàn)出了有限的影響作用，因此在實(shí)際工程中可以根據(jù)制造難度、安裝難度以及安全距離對(duì)導(dǎo)流板位置作靈活調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的仿真結(jié)果可以看出，增加導(dǎo)流板能夠顯著提高Savonius 型風(fēng)機(jī)的靜態(tài)力矩，進(jìn)而提高了風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率。通過(guò)設(shè)置不同的導(dǎo)流板長(zhǎng)度、角度以及安裝位置，討論了不同導(dǎo)流板因素對(duì)提升該型風(fēng)機(jī)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的影響。導(dǎo)流板能夠在有限增加制造成本的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行較為合理的改善，有效地彌補(bǔ)了Savonius 型風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率不高的缺陷。導(dǎo)流板對(duì)其他種類(lèi)的風(fēng)機(jī)葉片靜態(tài)力矩的影響值得進(jìn)一步研究。本文主要研究了導(dǎo)流板的三個(gè)主要參數(shù)，后續(xù)研究需要對(duì)其他參數(shù)如導(dǎo)流板曲度，對(duì)葉片的遮擋面積等對(duì)力矩的影響進(jìn)行更全面的分析，也可以對(duì)如何調(diào)控導(dǎo)流板與來(lái)風(fēng)方向角度進(jìn)行深入探討。

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