葉片尾緣加彎板垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性數(shù)值模擬

李巖，張婷婷，田川公太朗，馮放，鄭玉芳，公維佳

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，日本鳥取 680855 2；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030）

葉片尾緣加彎板垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性數(shù)值模擬

李巖1,2，張婷婷1，田川公太朗3，馮放4，鄭玉芳1，公維佳1,2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；3.日本鳥取大學(xué)地域?qū)W部，日本鳥取 680855 2；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150030）

文章提出一種在葉片尾緣加裝彎板改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場，提高風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的方法。選取NACA0024和NACA0012兩種直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)常用翼型，利用數(shù)值模擬計(jì)算包括不加裝彎板在內(nèi)具有7種彎板長度2葉片直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性和靜態(tài)起動轉(zhuǎn)矩特性。結(jié)果表明，在NACA系列對稱翼型尾緣加彎板葉片可在一定程度上改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性和靜態(tài)起動特性。葉片尾緣加裝彎板后可在某些旋轉(zhuǎn)角下改變?nèi)~片上下表面壓力分布，減少渦旋和流動分離產(chǎn)生，提高葉片氣動特性，改善風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。研究發(fā)現(xiàn)，彎板長度為弦長40%風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性改善效果最好，最大輸出轉(zhuǎn)矩系數(shù)較無彎板風(fēng)力機(jī)提高17%，靜態(tài)平均起動轉(zhuǎn)矩提高26.4%。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；葉片尾緣；彎板；轉(zhuǎn)矩特性；數(shù)值模擬

與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)最大特征為無需迎風(fēng)轉(zhuǎn)向裝置，應(yīng)用于中小型風(fēng)能利用系統(tǒng)、分布式發(fā)電和微網(wǎng)[1]。近年來，作為垂直軸風(fēng)力機(jī)代表直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)以形式簡單、容易加工、結(jié)構(gòu)新穎等特點(diǎn)受到關(guān)注。然而，該風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)形成風(fēng)輪空間內(nèi)部流動復(fù)雜，為典型大分離非定常流動[2]，因此其氣動特性分析與設(shè)計(jì)相對難于中小型水平軸風(fēng)力機(jī)。隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)輪內(nèi)外流動愈加復(fù)雜，伴隨葉片邊界層分離和大量渦旋形成，風(fēng)力機(jī)在某些轉(zhuǎn)速下動態(tài)失速，影響風(fēng)力機(jī)葉片氣動力作用在風(fēng)輪中心轉(zhuǎn)矩特性，風(fēng)力機(jī)整體輸出特性降低，為目前該種風(fēng)力機(jī)發(fā)展制約因素。因此，要有效控制分離與渦旋產(chǎn)生，研究適合直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片與翼型尤為重要[3]。為此，研究者從不同角度開展相關(guān)研究。廖書學(xué)等分析翼型厚度對垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能影響，結(jié)果表明翼型厚度對風(fēng)力機(jī)各氣動參數(shù)影響較大[4]。趙萬里等對增設(shè)Gurney襟翼風(fēng)力機(jī)專用翼型作數(shù)值研究，分析Gurney襟翼對流場影響和揭示繞流機(jī)理[5]。韓中合等模擬NACA4412翼型流場數(shù)值，分析鈍尾緣翼型風(fēng)力機(jī)性能優(yōu)于原翼型風(fēng)力機(jī)[6]。楊科等研究上風(fēng)面開縫、下風(fēng)面開縫及由下向上開縫三種方案，評價(jià)不同開縫方案對風(fēng)力機(jī)靜態(tài)失速特性影響[7]。李巖等對風(fēng)輪上方加聚風(fēng)罩及在葉片后加小翼開展研究，分析風(fēng)機(jī)氣動性能提高原因[8-9]。王建明等對尾緣噴氣垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能研究，發(fā)現(xiàn)尾緣噴氣可改變?nèi)~片表面壓力系數(shù)[10]。楊從新等對低風(fēng)速下直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能作大量研究[11]。趙振宙等基于擾流技術(shù)模擬研究直線翼垂直軸風(fēng)輪葉片性能，提出采用擾流方法解決因局部方位角葉片攻角極小導(dǎo)致的整體風(fēng)輪性能較低問題[12]。張立茹等研究風(fēng)力機(jī)葉尖有無小翼三維流場特性數(shù)值，雖針對水平軸風(fēng)力機(jī)，但可對垂直軸風(fēng)力機(jī)提供借鑒作用[13]。

本研究采用現(xiàn)有直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)典型翼型，即NACA系列對稱翼型，保留其最主要主體氣動外形，僅改造尾緣部分，加裝具有一定形狀彎板，改善葉片尾緣附近流動狀況，提高葉片轉(zhuǎn)矩特性。選取兩種對稱翼型NACA0024和NACA0012，用于對比彎板參數(shù)對厚翼和薄翼影響規(guī)律。采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算包括不加裝彎板在內(nèi)具有7種彎板長度2葉片直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，包括動態(tài)和靜態(tài)，分析加裝彎板后葉片周圍流場變化，探討尾緣加彎板對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性影響機(jī)理。

1 尾緣加彎板葉片設(shè)計(jì)

整體看，應(yīng)用NACA四位數(shù)系列對稱翼型可使直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)獲得較好輸出特性[4]。但在高轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生分離流與大量渦旋影響葉片周圍流動，降低氣動特性。為此，本研究選擇兩種NACA系列對稱翼型為基礎(chǔ)翼型，即NACA0024和NACA0012，二者外形輪廓一致，最大厚度相差一倍，對比翼型厚度影響。在兩種翼型尾緣后部加入彎板，改善尾緣部分流動情況。原始翼型與加入彎板翼型見圖1、2。圖中V-來流風(fēng)速，C-翼型弦長，W-彎板末端在來流方向投影長度，F(xiàn)-彎板末端在垂直來流方向投影長度。本研究設(shè)計(jì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)尺寸以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)低速風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為依據(jù)（1m×1m）。風(fēng)輪直徑（D）為0.8m，風(fēng)輪高度（H）為0.5m，葉片數(shù)為2個(gè)?；A(chǔ)葉片翼型弦長（C）為0.125m，彎板安裝在尾緣部分。為簡化設(shè)計(jì)，彎板參數(shù)僅考慮：彎板長度與彎度，兼顧考慮實(shí)際葉片與彎板強(qiáng)度問題。因此，彎板彎度曲率不宜過大，設(shè)定F固定為10%C。彎板始端與翼型結(jié)合寬度為0.003m并作一定圓角過渡，且在結(jié)合處彎板與來流方向相切。本研究定義彎板長度與弦長比為彎弦比（ε），見式（1）。

圖1 NACA0024翼型與尾緣加彎板翼型Fig.1 NACA0024 air foiland theair foilwith curved plateat trailing edge

圖2 NACA0012翼型與尾緣加彎板翼型Fig.1 NACA0012 air foiland theair foilw ith curved p lateat trailing edge

因彎弦比過小無法發(fā)揮作用，過大影響原始翼型氣動特性，為探討不同彎弦比影響，本文定義包括原始翼型在內(nèi)的7種彎弦比，分別為0、10%、20%、30%、40%、50%和60%。并給出各種彎弦比對應(yīng)負(fù)荷，結(jié)果見表1。

表1 彎弦比Tab le1 Ratio of curved plate length and airfoil chord

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計(jì)算模型

為充分模擬葉片周圍流場特性，葉片周圍流場取長方形，風(fēng)輪中心前方區(qū)域長度為5D，后方區(qū)域長度為10D，風(fēng)輪中心上下寬度各為5D。整個(gè)計(jì)算域分為兩部分，內(nèi)計(jì)算域?yàn)?.5倍風(fēng)輪直徑，外計(jì)算域?yàn)殚L方形除去內(nèi)計(jì)算域剩余部分。兩個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，葉片表面采用網(wǎng)格加密。葉片起始位置即為0°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。計(jì)算域如圖3所示，葉片表面網(wǎng)格加密如圖4所示。

入口采用速度入口邊界條件，風(fēng)速為10m·s-1，出口為自由出流壓力出口邊界條件，上下邊界為壁面，葉片及彎板為無滑移邊界條件。計(jì)算采用RNG k-ε湍流模型，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

圖3 計(jì)算域Fig.3 Com putationaldomain diagram

圖4 葉片附近網(wǎng)格Fig.4 Air foil Localgrid

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為確定合適網(wǎng)格數(shù)目，保證計(jì)算精度，作網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。以NACA0024為例，分別采用153988、211095、290358和370081計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算結(jié)果見圖5。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)＞211095時(shí)，其轉(zhuǎn)矩系數(shù)趨于穩(wěn)定，力矩系數(shù)波動＜3%，基本達(dá)到本研究計(jì)算要求。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和周期影響，本研究采用網(wǎng)格數(shù)量為212000。

圖5 網(wǎng)格數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.5 Torque coefficient under d ifferent numbersof Grid

3 結(jié)果與分析

3.1 尾緣加彎板對風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性影響

風(fēng)速為10m·s-1時(shí)，具有不同彎弦比風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)（CM）與葉尖速比（λ）間關(guān)系見圖6。CM與λ定義為：

式中，M-風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩（N·m）；U-風(fēng)速（m·s-1）；R-風(fēng)輪半徑（m）；A-風(fēng)輪掃略面積（m2）；ρ-空氣密度（kg·m-3）；ω-風(fēng)輪角速度（rad·s-1）。

從整體上看，NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)高于相同條件下采用NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)。在安裝彎板后，從風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性改善幅度上看，NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)效果明顯。由此可知，采用厚翼型NACA系列對稱翼型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性更好，彎板對改善轉(zhuǎn)矩系數(shù)作用效果明顯。從旋轉(zhuǎn)特性看，采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大值出現(xiàn)在尖速比1.6附近，而采用NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)則出現(xiàn)在尖速比2附近，說明薄翼型風(fēng)力機(jī)可獲得較高轉(zhuǎn)速，而厚翼型可在較低轉(zhuǎn)速下獲得相對較高轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由此可知，如需單純轉(zhuǎn)矩特性較高風(fēng)力機(jī)，如風(fēng)力提水機(jī)，可采用厚翼型；如需較高輸出功率，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可考慮稍薄翼型。

采用NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)，加裝彎板后，在低尖速比下，如λ=0.4時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)呈下降趨勢。但隨著尖速比增大，彎板作用顯現(xiàn)，直到λ=1.6前，帶有彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)均高于無彎板風(fēng)力機(jī)。但當(dāng)尖速比繼續(xù)增大時(shí)，無彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)逐漸高于有彎板風(fēng)力機(jī)，在λ=2.4時(shí)，無彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)達(dá)到最大且高于有彎板轉(zhuǎn)矩系數(shù)。但有彎板風(fēng)力機(jī)最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)出現(xiàn)在λ=2時(shí)，彎弦比在40%以下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)高于無彎板風(fēng)力機(jī)，其中，彎弦比為30%風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大。

圖6 不同彎弦比風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.6 Torque coefficien t ofw ind turbinesw ith differen tε

對于采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)，除彎弦比為10%風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)整體低于無彎板風(fēng)力機(jī)，彎弦比為20%風(fēng)力機(jī)基本與無彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性相近外，其他彎弦比風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)均較無彎板風(fēng)力機(jī)有不同程度改善。

λ＞0.4后，有彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)大幅高于無彎板風(fēng)力機(jī)，說明加彎板后葉片在低尖速比下性能較好，可有效改善低轉(zhuǎn)速下性能不穩(wěn)定缺點(diǎn)。在λ=1.6時(shí)，風(fēng)力機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)，彎弦比為40%風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大，較無彎板風(fēng)力機(jī)提高17%。

3.2 尾緣加彎板對葉片周圍流場影響

研究一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角θ下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。由于所選風(fēng)力機(jī)為兩葉片，風(fēng)力機(jī)從起始位置0°（見圖3）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°即為一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。由圖6可知，采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性較NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)性能好，所以采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)尖速比λ=1.6為對象，選取三種典型彎弦比：10%c、40% c、60%c與基礎(chǔ)翼型，計(jì)算風(fēng)力機(jī)在該尖速比下，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角變化情況，并對比分析。計(jì)算間隔為10°，計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 不同旋轉(zhuǎn)角處風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)（λ=1.6）Fig.7 Torque Coefficient at different azim uth angles（λ=1.6）

由圖7可知，與整體轉(zhuǎn)矩特性一致，采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩系數(shù)整體高于NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)。兩種風(fēng)力機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)旋轉(zhuǎn)角均在90°附近，而加入彎板后，獲得最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)角度略滯后，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)有不同程度提高。在獲得最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)之前旋轉(zhuǎn)角處，無彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)均高于有彎板風(fēng)力機(jī)，而在此旋轉(zhuǎn)角后，有彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)逐漸高于無彎板風(fēng)力機(jī)，說明彎板發(fā)揮改善轉(zhuǎn)矩特性作用實(shí)際旋轉(zhuǎn)角為90°～180°。采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)，彎弦比為10%風(fēng)力機(jī)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩特性較無彎板風(fēng)力機(jī)低，說明彎板過短不利改善各個(gè)旋轉(zhuǎn)角處轉(zhuǎn)矩特性，使轉(zhuǎn)矩系數(shù)降低。而對于彎弦比為60%情況，雖然在旋轉(zhuǎn)角90°以后轉(zhuǎn)矩特系數(shù)明顯提高，但在0°～90°，轉(zhuǎn)矩系數(shù)大幅減少，整體不理想。而彎弦比為40%風(fēng)力機(jī)，在0°～90°轉(zhuǎn)矩系數(shù)略下降，后轉(zhuǎn)矩系數(shù)大幅提升，在各種彎弦比中轉(zhuǎn)矩改善效果最理想。采用NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)變化趨勢與NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)基本一致。

以NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)為例，選取兩個(gè)典型旋轉(zhuǎn)角，即30°和100°，計(jì)算在λ=1.6時(shí)具有4種彎弦比風(fēng)力機(jī)葉片周圍速度和壓力分布，分析彎板對翼型周圍流場的影響（見圖8、9）。

由圖8可知，對無彎板風(fēng)力機(jī)，上葉片腹面存在一片負(fù)壓區(qū)，在該葉片上產(chǎn)生氣動力合力較大，為提供風(fēng)力機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主要作用力。而下葉片腹面與背面壓力差較小，無法提供使葉片旋轉(zhuǎn)氣動力?？梢娫谖簿壸髠?cè)存在一個(gè)負(fù)壓區(qū)，使風(fēng)作用在該葉片上產(chǎn)生氣動力合力指向這一區(qū)域，該氣動力將驅(qū)使風(fēng)力機(jī)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，抵消一部分上葉片逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩。但由于上葉片提供轉(zhuǎn)矩較大，在該角度下風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩仍為正值。而對有彎板風(fēng)力機(jī)，上下葉片周圍流動情況發(fā)生變化較大。當(dāng)彎弦比為10%時(shí)，上葉片腹面負(fù)壓區(qū)減小，該葉片提供逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩減少；在彎板兩側(cè)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，形成渦旋，產(chǎn)生能量損失，加劇上葉片氣動力降低。而下葉片整體流動情況無較大改變，僅尾緣左側(cè)負(fù)壓區(qū)減少。因此，綜合作用結(jié)果使該角度下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩幾乎為零，甚至出現(xiàn)負(fù)值，即有反轉(zhuǎn)趨勢。彎弦比為40%時(shí)，雖然上葉片腹面負(fù)壓區(qū)較彎弦比為10%時(shí)增大，但仍低于無彎板風(fēng)力機(jī)。而下葉片尾緣由于彎板長度增加，負(fù)壓區(qū)明顯增大，該葉片提供負(fù)轉(zhuǎn)矩也增大。因此，總體來看，在該角度下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩仍很小，且為負(fù)值。當(dāng)彎弦比增大到60%時(shí)，上葉片負(fù)壓區(qū)基本與無彎板相同，但在下葉片尾緣左側(cè)負(fù)壓區(qū)顯著增大，且負(fù)壓值較大，導(dǎo)致該葉片提供順時(shí)針轉(zhuǎn)矩比上葉片提供逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩大，在該角度下風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大負(fù)值。由此可見，葉片尾緣加裝彎板后，主要影響上葉片腹面負(fù)壓區(qū)和下葉片尾緣負(fù)壓區(qū)域變化，改變?nèi)~片氣動特性和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性。

圖8 不同彎弦比風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場(NACA0024，λ=1.6，θ=30°)Fig.8 Flow fieldsaround bladeairfoilwith differentε(NACA0024，λ=1.6，θ=30°)

由圖9可知，在該角度下下葉片提供風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，在該葉片背面有一個(gè)正壓區(qū)，腹面有一個(gè)較大負(fù)壓區(qū)，形成較大氣動合力，且該壓力區(qū)集中在前緣，為該葉片提供逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩。而對于上葉片，壓力變化集中在前緣附近，作用在該葉片氣動力為風(fēng)力機(jī)提供逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩。彎弦比為10%，上葉片周圍流動變化較小，但下葉片腹面負(fù)壓區(qū)變小，因此風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩較無彎板情況略低。彎弦比為40%，同樣上葉片周圍流動變化不大，但下葉片腹面壓力區(qū)域顯著增大，且存在一定環(huán)流，因此該葉片提供轉(zhuǎn)矩增大，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)增大。而當(dāng)彎弦比增大到60%時(shí)，彎板長度增加，該趨勢愈加明顯，雖然上葉片迎風(fēng)面出現(xiàn)較大渦旋影響該葉片氣動力，但在總體上風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩仍繼續(xù)增大。由此可見，對于圖7所示在旋轉(zhuǎn)角90°以后有彎板風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)提高主要原因，是彎板存在增大下葉片腹面負(fù)壓區(qū)。

3.3 尾緣加彎板對風(fēng)力機(jī)靜態(tài)起動轉(zhuǎn)矩特性影響

直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下起動轉(zhuǎn)矩較低是制約風(fēng)力機(jī)表態(tài)起動特性主要因素。在此，以采用NACA0024翼型風(fēng)力機(jī)為例，選取兩種彎弦比，即動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩特性較好彎弦比40%與基礎(chǔ)翼型，計(jì)算風(fēng)力機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)（λ=0）時(shí)一個(gè)轉(zhuǎn)動周期內(nèi)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角變化情況，計(jì)算角度間隔為10°。

靜態(tài)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法按照公式（2），計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同彎弦比風(fēng)力機(jī)靜態(tài)起動轉(zhuǎn)矩Fig.10 Static torque coefficien t of wind turbinesw ith differentε

圖11 不同彎弦比風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場(NACA0024，λ=0，θ=0°)Fig.11 Flow fieldsaround bladeair foilwith differentε(NACA0024，λ=0，θ=0°)

由圖10可見，兩條曲線變化趨勢基本一致，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為0～120°時(shí)，加彎板風(fēng)力機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)與無彎板風(fēng)力機(jī)基本一致，僅在某些角度下略有提高。但當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為120～180°時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)提高顯著，尤其旋轉(zhuǎn)角為150～180°時(shí)，無彎板風(fēng)力機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩較低，甚至有負(fù)值（反向轉(zhuǎn)矩），但加裝彎板后，不但轉(zhuǎn)矩系數(shù)大幅提高，且消除反向轉(zhuǎn)矩。進(jìn)一步計(jì)算可得到兩種風(fēng)機(jī)一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，采用原始翼型風(fēng)力機(jī)平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.0250，而采用具有彎弦比40%變形葉片風(fēng)力機(jī)平均靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.0316，提升26.4%，說明葉片尾緣加彎板對風(fēng)力機(jī)整體起動性能提高效果良好。

選取兩個(gè)典型旋轉(zhuǎn)角，即0°和160°，計(jì)算這兩種風(fēng)力機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下葉片周圍速度和壓力分布，分析彎板對翼型周圍流場影響，如圖11～12所示。

圖12 不同彎弦比風(fēng)力機(jī)葉片周圍流場(NACA0024，λ=0，θ=160°)Fig.12 Flow fieldsaround b ladeairfoilw ith differentε(NACA0024，λ=0，θ=160°)

由圖11可知，在旋轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，上、下葉片周圍流場為對稱分布，不產(chǎn)生氣動力，在此角度下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為0。當(dāng)葉片尾緣安裝彎板后，改變翼型對稱性，在上葉片背面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，在下葉片尾緣彎板處與前緣前部均出現(xiàn)環(huán)流，改變?nèi)~片上下表面壓力分布，產(chǎn)生氣動力，形成轉(zhuǎn)矩，有效改善該角度下風(fēng)力機(jī)起動性能。

由圖12可知，在該角度下，無彎板風(fēng)力機(jī)上葉片負(fù)壓區(qū)僅出現(xiàn)在葉片背面前緣附近，背面存在較大渦旋區(qū)，流動分離現(xiàn)象嚴(yán)重。而下葉片腹面同樣存在兩個(gè)較大渦旋和流動分離，即該角度下葉片氣動特性較差，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩較低。對于有彎板風(fēng)力機(jī)，由于在尾緣加入彎板，接受來流面積增加，使上葉片背面負(fù)壓區(qū)域增大，腹面正壓區(qū)增大，渦旋移動到葉片后方，減少流動分離；同時(shí)改善下葉片流動分離，葉片氣動特性充分發(fā)揮，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩大幅提升。

4 結(jié)論

本研究提出一種在葉片尾緣加裝彎板提高直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性方法，利用數(shù)值模擬計(jì)算具有不同彎板長度風(fēng)力機(jī)動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩和靜態(tài)起動特性，結(jié)論如下：

a.在NACA系列對稱翼型尾緣加彎板葉片，可在一定程度上有效改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性和靜態(tài)起動特性，可作為提升直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性方法，為相關(guān)研究提供借鑒。

b.彎板加在厚翼型葉片改善風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性效果顯著。彎板長度與翼型弦長比例要適當(dāng)，彎板長度為弦長40%風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性改善效果最佳，最大輸出轉(zhuǎn)矩系數(shù)較無彎板風(fēng)力機(jī)提高17%，一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)靜態(tài)平均起動轉(zhuǎn)矩提高26.4%，可消除反向轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)整體起動性能提高。

c.葉片尾緣加裝彎板后可在某些旋轉(zhuǎn)角下改變?nèi)~片上下表面壓力分布，減少渦旋和流動分離，提高該旋轉(zhuǎn)角下氣動特性，改善風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。

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Numerical simulation on torque characteristics of vertical axis windturbine with curved plate adding at blade trailing edge

LI Yan1,2,ZHANGTingt ing1,Tagawa Kotaro3,FENG Fang4,ZHENG Yufang1,GONG Weij ia1,2
(1. School of Engineering,Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory ofTechnology and Equipment for Utilization of Agricultural Renewable Resources in Cold Region, Harbin150030, China; 3. Faculty of Regional Sciences, Tottori University, Tottori 6808552, Japan; 4. School ofSciences, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In this paper, a kind of blade with curved plate adding at its trailing edge was proposed forstraight-bladed vertical axis wind turbine (SB-VAWT) in order to improve the flow field around blade and tothe torque characteristics. Two typical blade airfoils, NACA0024 and NACA0012, often used for SB-VAWTwere selected for numerical simulation. The torque characteristics and static torque performance werecalculated for a SB-VAWT with 7 kinds of designed curved plate length including without curved plate. Thesimulation results showed that the curved plate adding at the trailing edge of the NACA series symmetricalairfoil could improve the torque characteristics and static starting performance to a certain degree. Thepressure distribution can be changed and the vortex and separation could be restrained due to the presenceof a curved plate, which improve the aerodynamics performance of blade and the torque characteristics ofwind turbine. Among all the curved plates researched, the maximum torque coefficient comes for the turbinewith the curved plate which its ratio of curved plate length to chord equal 40%, is 17% larger than the turbinewithout curved plate. The statics torque coefficient was also 26.4% lager.

vertical axis wind turbine (VAWT); trailing edge of blade; curved plate; torqueperformance; numerical simulation

TM315

A

1005-9369（2017）03-0072-08

時(shí)間2017-3-21 14:04:00[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170321.1404.018.htm l

李巖,張婷婷,田川公太朗,等.葉片尾緣加彎板垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性數(shù)值模擬[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(3):72-79.

Li Yan, Zhang Tingting, Tagawa Kotaro, et al. Numerical simulation on torque characteristics of vertical axis wind turbinewith curved plate adding at blade trailing edge[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2017, 48(3): 72-79. (in Chinesewith English abstract)

2017-02-12

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12541012）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10702015）

李巖（1972-），男，教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)能及可再生能源綜合利用。E-mail:liyanneau@163.com