葉片后加小翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性數(shù)值模擬

李巖，鄭玉芳，唐靜，馮放，田川公太朗

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱　150030；3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，日本鳥取　6808552）

葉片后加小翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性數(shù)值模擬

李巖1，鄭玉芳1，唐靜1，馮放2，田川公太朗3

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱150030；3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，日本鳥取6808552）

為改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場特性，在葉片后部加設(shè)輔助小翼調(diào)整葉片尾流流場，利用數(shù)值模擬方法研究該風(fēng)力機(jī)氣動特性。以NACA0018翼型2葉片風(fēng)力機(jī)為對象，輔助小翼與主葉片在同一在旋轉(zhuǎn)圓周上，通過改變小翼與主葉片弦長比和安裝角調(diào)整小翼與主葉片位置。結(jié)果表明，小翼尺度與安裝位置對直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性影響較大，在低尖速比時輔助小翼可改善葉片尾流流場，提高風(fēng)力機(jī)氣動特性，功率系數(shù)在尖速比從0到獲得最大功率系數(shù)之前均較不帶小翼風(fēng)力機(jī)有不同程度提高，當(dāng)輔助小翼弦長比為0.4，相對夾角為14°時，對主葉片周圍流場改善效果最顯著，風(fēng)力機(jī)獲得最大功率系數(shù)尖速比提前至2.2附近。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；輔助小翼；流動控制；數(shù)值模擬；氣動特性

網(wǎng)絡(luò)出版時間2016-7-20 16:53:25［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160720.1653.016.html

李巖,鄭玉芳,唐靜,等.葉片后加小翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性數(shù)值模擬[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(7):76-81.

Li Yan,Zheng Yufang,Tang Jing,et al.Numerical simulation on aerodynamic characteristics of vertical axis wind turbine with auxiliary blade behind main blade[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):76-81.
(in Chinese with English abstract)

直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)是一種升力型風(fēng)力機(jī)，適合在中小型風(fēng)能領(lǐng)域應(yīng)用，市場前景良好［1-2］。在低尖速比下大攻角工況運行時，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)較多流動分離，產(chǎn)生大量渦旋，使風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速和低尖速比時性能發(fā)揮不穩(wěn)定［3-4］。國內(nèi)外學(xué)者開展大量研究，開發(fā)新型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)專用翼型［5-6］，在葉片周圍安裝導(dǎo)流裝置［7-8］和通過與其他類型風(fēng)力機(jī)組合改善風(fēng)輪內(nèi)部流場［9-10］。通過在葉片周圍安裝輔助裝置來控制葉片周圍流場，是提高風(fēng)力機(jī)氣動特性新手段。陳珺等在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片前緣加裝微小圓柱，計算風(fēng)力機(jī)在低尖速比下性能改善情況［11］。梅毅提出在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片上加裝襟翼方案［12］。黃娟等提出在極小攻角處添加導(dǎo)葉改善垂直軸風(fēng)力機(jī)性能［13］。

本研究采取在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片后部尾流區(qū)域安裝輔助小翼方法，通過小翼改善葉片尾流以及風(fēng)輪內(nèi)部流場，提高風(fēng)力機(jī)氣動特性。以NACA0018翼型2葉片直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)為對象，利用數(shù)值模擬方法，對比分析與主葉片不同弦長比和安裝角輔助小翼對風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場和風(fēng)力機(jī)氣動特性影響。

1　風(fēng)力機(jī)模型與輔助小翼設(shè)計

本研究提出在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)輔助小翼與主葉片相對位置見圖1。選取NACA0018翼型2葉片典型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪尺寸：風(fēng)輪直徑為D=0.8 m，葉片弦長為C1=0.125 m。由于輔助小翼與主葉片結(jié)合參數(shù)較多，本研究探討輔助小翼與主葉片在同一旋轉(zhuǎn)圓周上情況。小翼與主葉片有相同翼型，與主葉片相對位置關(guān)系主要由葉片弦長比（γ）和相對安裝角（θ）兩個參數(shù)決定。葉片弦長比定義為主葉片弦長C1與輔助小翼弦長C2比值。主葉片與輔助小翼間相對安裝角定義如圖1所示。本研究所定弦長比及相對安裝角參數(shù)如表1所示。為研究不同方位角下風(fēng)力機(jī)力矩特性，定義以主葉片為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)方位角（α），如圖1所示。

圖1　具有輔助小翼風(fēng)力機(jī)Fig.1Vertical axis wind turbine with auxiliary blades

表1　輔助小翼與主葉片相對位置參數(shù)Table 1 Relative position parameters between auxiliary blade and main blade

2　數(shù)值模擬方法

2.1計算模型

本研究采用二維計算流體力學(xué)方法作數(shù)值模擬。由于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在高度方向具有相同截面形狀，根據(jù)以往研究結(jié)果，采用二維模型the maximum power coefficient was improved in different degree than the wind turbine without the auxiliary blade.When the auxiliary blade chord length ratio was 0.4,the relative angle of 14,the most significant effected on main flow field around blade and wind turbine obtained advance to 2.2 near the maximum power coefficient tip speed ratio.

圖2　網(wǎng)格劃分Fig.2Mesh generation

2.2算方法

選用結(jié)果較為穩(wěn)定RNG k-ε雙方程模型計算湍流，通過二維不可壓非定常有限體積法求解N-S方程，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍動能、湍流耗散率均采用較高精度二階迎風(fēng)格式。計算域邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口，定義入口速度10 m·s-1，出口壓力與大氣壓相等，滑移面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，旋轉(zhuǎn)域與靜止域交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面，設(shè)置為interface。

2.3記算方法驗證

為驗證可靠性，對比兩葉片風(fēng)力機(jī)風(fēng)洞試驗與數(shù)值計算結(jié)果。試驗系統(tǒng)、裝置與方法按文獻(xiàn)［16］進(jìn)行。不同尖速比下風(fēng)力機(jī)功率特性見圖3。數(shù)值計算與風(fēng)洞試驗結(jié)果在趨勢上有較好一致性，計算結(jié)果在某些尖速比下略高于試驗結(jié)果，主要原因是計算模型與試驗?zāi)Ｐ椭g存在差異，試驗測試中存在摩擦損失等，采用本研究數(shù)值計算方法精度高和可行性強(qiáng)。

圖3　風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)計算與試驗結(jié)果○Fig.3Power coefficient of wind turbine by simulation and experiment

3　計算結(jié)果與分析

3.1輔助小翼對風(fēng)力機(jī)輸出功率特性影響

設(shè)定不同弦長比和相對安裝角下，有無小翼風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)曲線見圖4。

由圖4可知，無輔助小翼風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)為0.3，在尖速比2.6附近獲得。安裝輔助小翼后，最大功率系數(shù)均有不同程度降低，這種趨勢隨著弦長比和相對安裝角增大逐漸顯著。說明安裝輔助小翼后影響風(fēng)力機(jī)最大功率輸出，使小翼盡量靠近主葉片且小翼與主葉片弦長比不能過大。

圖4　有無輔助小翼風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)Fig.4Power coefficient of wind turbine with or without auxiliary blades

當(dāng)弦長比為0.2（見圖4a），安裝角為12°時，安裝輔助小翼后風(fēng)力機(jī)尖速比從0到2.4之間功率系數(shù)均有提高，但其他安裝角無明顯變化，尖速比2.4以后，有小翼風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)低于無小翼風(fēng)力機(jī)。當(dāng)弦長比為0.4時（見圖4b），安裝角為14°有小翼風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)出現(xiàn)在尖速比為2.2時，但較無小翼風(fēng)力機(jī)略低。尖速比從0到2.2，有小翼風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)均大幅高于無小翼風(fēng)力機(jī)。輔助小翼使風(fēng)力機(jī)在低尖速比下氣動特性明顯改善，使最大功率系數(shù)尖速比提前，風(fēng)機(jī)能在較低尖速比下獲得較高輸出功率。隨相對安裝角增大，即18°、22°、26°工況，功率系數(shù)曲線較無輔助小翼風(fēng)力機(jī)曲線無顯著變化。當(dāng)弦長比達(dá)0.6時（見圖4c），有小翼風(fēng)力機(jī)功率特性類似前兩種弦長比，但在低尖速比下功率特性改善較弦長比為0.4時差。弦長比為0.8時（見圖4d），安裝輔助小翼后風(fēng)力機(jī)功率性能顯著下降，僅在某一段尖速比下功率系數(shù)略有提高，說明無論安裝角度如何調(diào)整，輔助小翼弦長過大嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)輸出性能。

3.2輔助小翼對風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動力矩特性影響

根據(jù)以上分析，有小翼風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)出現(xiàn)在尖速比為2.2時，為進(jìn)一步分析小翼對風(fēng)力機(jī)氣動特性影響，在γ2=0.4、θ=14°和γ4=0.8、θ= 18°兩種參數(shù)條件下，計算尖速比為2.2時風(fēng)力機(jī)在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)力矩隨旋轉(zhuǎn)方位角變化情況。由于選取2葉片風(fēng)力機(jī)，所以旋轉(zhuǎn)周期為180°。有無輔助小翼三種風(fēng)力機(jī)在180°方位角內(nèi)力矩系數(shù)曲線見圖5，力矩系數(shù)計算間隔為5°。

由圖5可知，無輔助小翼風(fēng)力機(jī)力矩系數(shù)曲線整體上呈正弦分布態(tài)勢，最大力矩系數(shù)出現(xiàn)在90°附近。安裝輔助小翼后，最大力矩系數(shù)最大值出現(xiàn)滯后，弦長比為0.4時在95°方位角附近，弦長比為0.8時在105°方位角附近。隨著最大力矩系數(shù)最大值滯后，在其他旋轉(zhuǎn)方位角下力矩系數(shù)出現(xiàn)不同變化規(guī)律。在0°～90°范圍內(nèi)，無輔助小翼風(fēng)力機(jī)力矩系數(shù)曲線在有輔助小翼風(fēng)力機(jī)力矩系數(shù)曲線之上，而在90°～180°范圍內(nèi)，有輔助小翼風(fēng)力機(jī)力矩系數(shù)曲線開始逐漸高于無輔助小翼風(fēng)力機(jī)。說明輔助小翼對風(fēng)力機(jī)氣動特性改善與風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)方位角密切相關(guān)。

3.3安裝輔助小翼后主葉片周圍流場分析

為探明添加輔助小翼后，風(fēng)機(jī)葉片周圍流場變化對風(fēng)能利用率影響［17］，分析葉片周圍壓力場及流場變化。三種風(fēng)力機(jī)葉片周圍流線分布與壓力分布見圖5。

在0°、60°、90°和120°四個方位角下計算有無輔助小翼風(fēng)力機(jī)的計算流場如圖6（尖速比為2.2）。

圖5　不同弦長比下力矩系數(shù)特性曲線Fig.5Different chordlengthto torque coefficient curve

圖6　有無輔助小翼風(fēng)力機(jī)葉片周圍流線與壓力分布Fig.6Streamline and pressure contours around wind turbine blade with or without auxiliary blade

由圖6可知，當(dāng)а=0°時（見圖6a），對于葉片組A，弦長比為0.4時小翼對主葉片尾緣部的流場分離產(chǎn)生抑制作用，但對于弦長比為0.8小翼，主葉片尾緣部又出現(xiàn)較明顯回流。對于葉片組B，明顯可見在無輔助小翼葉片上部有渦旋存在，而安裝弦長比為0.4輔助小翼后，渦旋消失，但在弦長比為0.8時，又有新渦旋出現(xiàn)在主葉片和輔助小翼之間上表面區(qū)域。當(dāng)а=60°（見圖6b），安裝輔助小翼未對葉片組A主葉片產(chǎn)生較大影響。而對于葉片組B，輔助小翼使主葉片尾流區(qū)域發(fā)生分離，對主葉片壓力面入流產(chǎn)生較大影響?？梢娫谶@種工況下，輔助小翼對主葉片產(chǎn)生負(fù)面影響，并隨小翼與主葉片弦長比增大而加劇。當(dāng)а=90°時（見圖6c），輔助小翼并未使葉片組A右側(cè)渦旋發(fā)生太大變化，葉片組A兩側(cè)壓差變化并不顯著。對于葉片組B，未安裝輔助小翼時，主葉片右側(cè)前緣區(qū)域和左側(cè)中間區(qū)域出現(xiàn)兩個較小低壓區(qū)域，弦長比為0.4時，主葉片前緣右側(cè)低壓區(qū)增加，主葉片左側(cè)中間區(qū)域低壓區(qū)消失。弦長比為0.8時，主葉片右側(cè)前緣區(qū)域低壓區(qū)范圍減小，在主葉片和輔助小翼左側(cè)中間區(qū)域出現(xiàn)較大范圍低壓區(qū)域。當(dāng)а=120°時（見圖6d），對于葉片組A，弦長比為0.4時小翼使主葉片右側(cè)面渦旋有擴(kuò)散趨勢，當(dāng)小翼弦長比為0.8時，在主葉片與輔助小翼間有大范圍渦旋形成。對于葉片組B，弦長比為0.4時小翼能較好的抑制主葉片背面尾流部的回流現(xiàn)象，使葉片背面負(fù)壓區(qū)擴(kuò)大，改善了流動情況。但弦長比為0.8時小翼又使主葉片背面出現(xiàn)流場分離現(xiàn)象，由于輔助小翼存在，力矩疊加使風(fēng)輪整體力矩增大，較無小翼風(fēng)力機(jī)力矩提高。綜上所述，在不同方位角下，由于風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)位置不同，前后葉片影響不同。因此，有無小翼的存在使原有的這種影響發(fā)生了改變小翼的風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場差異較大，影響機(jī)理較復(fù)雜，需后續(xù)深入研究。

4　結(jié)論

a.低尖速比下，安裝輔助小翼對風(fēng)力機(jī)氣動特性起到改善作用。在輔助小翼距離主葉片尾部較近位置時，最大功率輸出點均有不同程度提前。弦長比改變對風(fēng)力機(jī)功率輸出影響最顯著。在弦長比0.4、相對夾角為14°時，效果最明顯，最大功率輸出點提前至2.2。

b.安裝輔助小翼對風(fēng)力機(jī)主葉片周圍流場影響體現(xiàn)在葉片兩側(cè)壓差和流動分離兩方面，尤其是輔助小翼弦長比為0.4、相對夾角為14°時，輔助小翼使主葉片兩側(cè)壓差發(fā)生較大變化，明顯改善主葉片周圍流場。

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Numerical simulation on aerodynamic characteristics of vertical axis wind turbine with auxiliary blade behind main blade

LI Yan1,ZHENG Yufang1,TANG Jing1,FENG Fang2,Tagawa Kotaro3
(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;3.Faculty of Regional Sciences,Tottori University,Tottori 6808552,Japan)

In order to improve flow field characteristics around the vertical axis wind turbine blade，this study was committed to design a straight-bladed vertical axis wind turbine(SB-VAWT)with auxiliary blade behind main blade,the purpose of which was to adjust the wake flow field of blade,and the numerical simulation method was conducted to simulate the aerodynamic characteristics of wind turbine.A wind turbine with 2 blades was studied as the object in the test,and the airfoil of which is NACA0018.The auxiliary blade and blade were in the same rotation circumference.To adjust the position between auxiliary blade and blade,the blade chord length ratio and installation angle were changed then.The results showed that the scale of the auxiliary blade and the installation location had dramatic effect on the wind turbine aerodynamic characteristics,and auxiliary blade could improve the wake flow field of blade and enhance the aerodynamic characteristics of wind turbine while it was at low tip speed ratio,the power coefficient of wind turbine with auxiliary blade at the tip speed ratio from 0 to

vertical axis wind turbine(VAWT);auxiliary blade;flow control;numerical simulation;aerodynamic characteristics計算結(jié)果具有較高可信度［14-15］。為讓流場和尾流不受空間邊界條件影響，提高計算速度和計算質(zhì)量，采用8D×15D長方體風(fēng)場作為計算區(qū)域，如圖2所示。為讓風(fēng)力機(jī)尾流發(fā)展更加充分，將模型放置于長方體流體域前1/3位置處。計算域分為動網(wǎng)格和靜網(wǎng)格兩個區(qū)域分別劃分網(wǎng)格，靜網(wǎng)格采用較為稀疏結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，動網(wǎng)格為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用加密非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

TM315

A

1005-9369（2016）07-0076-06

2016-05-14

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12541012）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金（yjscx14022）

李巖（1972-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為風(fēng)能和可再生能源綜合利用。E-mail:liyanneau@163.com