葉片失速延遲控制垂直軸風力機氣動性能

高 強，蔡 新,2，潘 盼，郭興文，舒 超

葉片失速延遲控制垂直軸風力機氣動性能

高 強1，蔡 新1,2，潘 盼1，郭興文1，舒 超1

(1.河海大學力學與材料學院，江蘇南京，210098；
2.河海大學水利水電學院，江蘇南京，210098)

以麥克馬斯特大學H型垂直軸風力機為基礎，在葉片上加設射流管，設計一種葉片失速延遲控制垂直軸風力機?；贑FD方法計算典型工況下葉片失速延遲控制垂直軸風力機的功率，分析風場的渦強和風速分布特性。研究結果表明：在相同幾何尺寸和工況下葉片失速延遲控制風力機的風能利用系數比麥克馬斯特大學H型垂直軸風力機的高，在尖速比為1.3時，最大風能利用系數達到0.33。在葉片上加設射流管對于延遲層流分離具有顯著作用。

失速延遲控制；射流管；垂直軸風力機；風能利用率；氣動性能

伴隨著世界化石能源的消耗殆盡，溫室氣體過度排放引起的溫室效應，人類正面臨著資源枯竭、環(huán)境惡化的困境。找到一種新型能源替代傳統(tǒng)能源，又不會造成環(huán)境污染是全人類的共同夢想。風能作為一種無污染和可再生的新能源正日益受到重視，風力發(fā)電設備的研究在我國方興未艾[1]。相對于水平軸風力機，垂直軸風力機具有無需對風機構、啟動風速較低、方便維護、氣動噪聲低等諸多優(yōu)勢[2]。國內外學者對垂直軸風力機氣動性能開展了大量的研究[3?7]。李巖[8]對垂直軸風力機的設計與實驗進行了闡述，指出垂直軸風力機氣動方面存在一個不可避免的問題，即是失速現象。梅毅等[9]基于CFD計算了垂直軸風力機不同弦徑比和葉片數對氣動性能的影響，指出過低的尖速、過大的弦徑比和4個以上的葉片數會加劇葉片動態(tài)失速和氣流分離現象，削弱風機發(fā)電效率。高偉等[10]基于CFD對H型垂直軸風力機流場進行瞬態(tài)計算，研究了翼型附近渦從形成到脫落的過程，指出當尖速比較小時更容易發(fā)生動態(tài)失速。王虎彬等[11]對非對稱翼型正反4°安裝角下的垂直軸風力機分別進行了二維非定常數模擬，結果表明翼型反裝可以縮小失速范圍，提高風能利用率。姚興佳等[12]認為葉片旋轉過程中由于擾流致使層流分離從而產生渦流，進而導致失速，葉片升力驟然下降，風力機做功減少。葉正寅等[13]利用風洞試驗研究了翼型振動對流場的影響，結果表明翼型振動會導致失速提前發(fā)生。伍艷等[14]提出考慮三維旋轉效應下非定常氣動荷載的計算方法，建立了預測分離點位置的計算模型，可計算三維旋轉效應對葉片附面層氣流分離的影響。FERREIRA等[15]的研究表明氣流攻角隨著垂直軸風力機葉片方位角的變化而時刻變化，變化范圍較大，失速現象無法避免。由此可見，研究新型垂直軸風力機葉片使其能夠適應大范圍變化的攻角，進而延緩失速現象具有非常重要的意義。為此，本文作者在傳統(tǒng)直葉片基礎上研究加設射流管，設計出一種葉片失速延遲控制垂直軸風力機，提高了垂直軸風機的風能利用系數。

1 物理數學模型

1.1 物理模型及幾何尺寸

2007年麥克馬斯特大學對額定功率3.5 kW的H型垂直軸風力機進行了風洞試驗，并提取了風機功率曲線，計算了各種工況下的風能利用系數[16]。該風機主要參數見表1。

在M cMaster H型垂直軸風力機基礎之上，對葉片加設射流管，設計了葉片失速延遲控制垂直軸風力機，主要包括葉片、支撐桿、塔筒、渦輪吸氣裝置以及導氣管，其中，渦輪吸氣裝置安裝在塔筒頂端，沿塔筒、支撐桿以及葉片吸力面內部設置導氣管，導氣管在葉片吸力面內側沿展向貫穿設置，間隔一定距離布置射流管。葉片失速延遲控制垂直軸風力機工作時，塔筒頂端安裝的渦輪吸氣裝置被帶動高速旋轉吸入空氣，通過導氣管氣體由塔筒頂端經支撐桿最終傳送到葉片吸力面，在離心力作用下，氣流沿葉片表面射流管噴射而出。在噴射氣流作用下，葉片層流分離被延遲，翼型升力增加，風力機功率輸出增加。

表1 麥克馬斯特H型垂直軸風力機幾何參數Table1 Geometric parametersofM cMaster H-type vertical axisw ind turbine

在建模軟件UG中建立葉片失速延遲控制垂直軸風力機的幾何模型，如圖1所示。射流管簡化為貫穿葉片吸力面的射流槽，射流槽開口位于弦長中點，射流槽與弦線夾角15°。

圖1 風力機模型Fig.1 W ind turbinemodel

1.2 數學模型

1.2.1 計算方法

基于不可壓縮的連續(xù)方程和雷諾平均的N?S方程，計算葉片失速延遲控制垂直軸風力機的輸出功率。不可壓縮的連續(xù)方程和雷諾平均的N?S方程用張量描述為：

式中：ρ為流體密度；t為時間；v為速度矢量；p為表面壓力；τ為表面應力矢量；f為單位質量體積力矢量。

1.2.2 網格剖分

圖2所示為風場布置平面示意圖，圖中Φ為中輪直徑。ABCD為風輪葉片和轉軸以及風輪旋轉域和外流場域組成的區(qū)域，AC和BD邊長為10Φ，AB和CD邊長為20Φ，葉輪回轉中心距AC邊為5Φ，距BD邊為15Φ，距AB和CD邊均為5Φ，風輪旋轉區(qū)域直徑為0.8Φ至1.2Φ[10]。

圖2 風場布置示意圖Fig.2 Diagram ofw ind field

在ICEM網格剖分軟件中對風場進行離散化，由于六面體網格精度較高，整個模型全部采用六面體網格。網格尺寸最大為1m，最小為0.1mm。離風機較遠處的外流場網格較大，最大尺寸達1m，為了體現葉片邊界層黏性流動特征，葉片附面層網格厚度設為0.1 mm。數值模型單元總數645 030，節(jié)點總數705 754，如圖3所示。

圖3 模型網格Fig.3 Model grids

1.2.3 邊界條件

結合風力機的旋轉特性，將流場劃分為旋轉域和外流場域，并假設當地空氣溫度為25℃。

對于外流場域，入流面設置為速度入口，風速為10m/s，風場頂面及左右兩面設為對稱邊界，地面和塔架設為無滑移壁面邊界，出口設為壓力出口，相對壓力為0 Pa。

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對于旋轉域，根據工況設定旋轉速度，葉片設為無滑移壁面邊界條件，射流管入口速度為10m/s，射流管兩側為無滑移壁面。

1.2.4 非線性分析求解設置

湍流模型選取SST模型，對流離散格式采用一階迎風格式，模擬葉輪旋轉3圈，葉輪每旋轉5°為一個時間步長，收斂殘差設為0.000 1。

2 工況選取

BRAVO等[16]對入流速度6，8，10，10.5，12.1，12.4，14.1，14.3和16m/s，風力機轉速20～150 r/min的幾十種工況做了風洞試驗，得到各工況下風力機功率和風能利用系數。現選取6種典型工況進行葉片失速延遲控制垂直軸風力機的CFD計算。計算工況列于表2。

表2 計算工況Table2 Working condition of calculation

3 計算結果

圖4所示為葉片交疊布置垂直軸風力機在轉速為122 r/min，風速為10m/s工況下的輸出轉矩時間歷程，在模擬旋轉1圈后，風力機轉矩進入穩(wěn)定狀態(tài)，呈正弦變化規(guī)律。取第3圈數據計算風力機平均功率，平均功率計算表達式如下

圖4 輸出轉矩時間歷程Fig.4 Timehistory of tw ist torque

式中：Qi為第i時間步的風力機轉矩；Q為風輪旋轉一圈平均轉矩；P為風力機功率。

式中：P為功率；ρ為空氣密度；v∞為風速；A為風輪掃掠面積，即葉輪直徑和葉片長度乘積。

圖5所示為葉片失速延遲控制垂直軸風力機的風能利用系數在各個工況下都高于McMaster H型垂直軸風力機。M cMaster H型垂直軸風力機的最佳尖速比為1.6，最大風能利用系數為0.29，而失速延遲控制風力機的最佳尖速比在1.3，最大風能利用系數為0.33。

圖5 風能利用系數對比圖Fig.5 Com parison ofw ind-energy capture efficiency

4 氣動性能分析

尖速比為1.3時風力機風能利用效率最高，在此尖速比下，分析葉片旋轉半個周期內位于典型位置的流場特性。圖6所示為風機葉片方位圖，θ表示葉片1的方位角，設逆時針為正，0°＜θ＜180°為上風區(qū)，180°＜θ＜360°為下風區(qū)，由于上風區(qū)屬于高能量區(qū)，所以對葉片氣動性能的分析主要是對上風區(qū)葉片擾流特性展開。選取葉片1方位角θ為30°，90°，150°和210°這4個典型位置進行葉片擾流流場分析。

圖6 風機葉片方位圖Fig.6 Azimuth diagram ofw ind turbineblade

渦量場是描述漩渦運動的物理場，渦量即為流體速度的旋度，其中渦量稱之為渦強，對渦量場進行分析，可以確定流場湍流程度。圖7所示為不同方位角θ時葉片上中下3個截面渦量場的分布圖。當葉片1方位角為30°和150°時，葉片表面附近渦強較小，葉片1方位角為90°和210°時，葉片表面附近渦強較大。在風輪旋轉過程中，當上風區(qū)只有1個葉片時，葉片附近渦強明顯增強，當上風區(qū)有2個葉片時，葉片附近渦強隨之減弱，是因為當上風區(qū)只有1個葉片時，風能只有很小一部分被葉片吸收，多余的風能則激發(fā)氣流紊動來耗散能量，表明如果垂直軸風力機采用4葉片，保證上風區(qū)至少有2個葉片，會取得更高的風能利用率。

圖8所示為葉輪中部截面在不同方位角θ時的葉片中截面速度分布圖。葉片在旋轉過程中產生尾流，上風區(qū)葉片近場尾流向下游發(fā)展，擾動下風區(qū)葉片流場，影響其氣動特性，同時塔架也會吸收部分風能，影響葉輪流場分布，降低風機做功能力。從圖8可以看到：氣流經過風輪之后，在風輪右下方位的一定范圍內，風速下降較為明顯，若安裝多個垂直軸風力機，則要合理布置風機位置，使其避開低風速區(qū)。

圖9所示為葉片1在不同方位角θ時的葉片翼型附近速度矢量分布圖。葉片在旋轉過程中，氣流攻角變化很大，但從圖9可以看到：層流并沒有從葉片附面層分離，失速現象沒有出現。說明射流管噴射氣流對于延緩層流分離，提升翼型升力，增加風力機功率具有顯著作用。

圖7 不同方位角θ時葉片3個截面渦量場Fig.7 Vorticity field of three section in blade atdifferentazimuthθ

圖8 葉片中截面速度分布圖Fig.8 Velocity distribution inm iddle section on blade

圖9 葉片1中截面速度矢量分布圖Fig.9 Velocity vector inm iddle section on blade1

5 結論

1)葉片吸力面增加射流管，在噴射氣流作用下，葉片層流分離被延遲，翼型升力增加，風力機功率輸出增加。該失速延遲控制風力機具有較高的風能利用率，最大風能利用系數達到0.33。

2)若風力機的鼓風裝置運轉完全依賴于自身轉動，當葉輪轉速變化時，內置渦輪吸氣裝置的轉速也跟著變化，不能保證射流以理想的速度噴出。當葉輪轉速較低時，甚至形成不了射流。針對上述問題，可以加設電力助動鼓風裝置，當葉輪轉速過低或射流速度達不到理想速度時，可以采取電力助動鼓風的方法，以保證射流的穩(wěn)定性。

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(編輯 趙俊)

Aerodynam ic characteristicsof b lade stall delay controlverticalaxisw ind turbine

GAOQiang1,CAIXin1,2,PAN Pan1,GUO Xingwen1,SHU Chao1

(1.College of Mechanics and Materials,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China; 2.CollegeofWater Conservancy and Hydropower Engineering,HohaiUniversity,Nanjing 210098,China)

Through adding a jet pipe on the blade,a blade stall delay control vertical axisw ind turbine was designed on the basis of McMaster university H-type vertical axisw ind turbines.Employing CFD method,the power of blade stall delay control vertical axisw ind turbinewas calculated under the typicalworking conditions,and the vorticity and w ind speed distribution characteristics w ere analyzed.The results show that w ith the same geometry size and the working conditions,the w ind energy utilization coefficient of blade stall delay control w ind turbine is higher than that of McMaster H-type vertical axisw ind turbines.Themaximum w ind energy utilization coefficient reaches 0.33when the tip speed ratio is1.3.Adding jetpipe on bladehassignificanteffectson delaying laminar flow separation.

stall delay control;jet pipe;vertical axis wind turbine;w ind energy utilization coefficient;aerodynamic characteristics

TK83

A

1672?7207(2017)03?0830?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.034

2016?03?04；

2016?05?29

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2015B37714)；江蘇風力發(fā)電工程技術中心開放基金資助項目(ZK16-03-03)；江蘇高校首批2011計劃項目(蘇政辦發(fā)[2013]56號)(Project(2015B37714)supported by the FundamentalResearch Funds for the Central Universities of China;Project(ZK16-03-03)supported by the Open Foundation of Jiangsu ProvinceWind Technology Center;Project ([2013]56)supported by the FirstGroup of2011 plan of Jiangsu Province)

高強，博士，從事風力機葉片氣動性能研究；E-mail:gaoqiang12@126.com