整流式垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)性能的數(shù)值研究

王治云，李 猛，楊 茉

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

為了合理利用豐富的風(fēng)能資源，各種結(jié)構(gòu)類型的風(fēng)力機(jī)被提出來(lái)[1]。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)據(jù)有很多潛在的優(yōu)勢(shì)。垂直軸風(fēng)力機(jī)可進(jìn)一步被分成二個(gè)不同的類型，升力型和阻力型[2]。相對(duì)于垂直軸升力型，垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)還具有更優(yōu)良的性能，比如更低的氣動(dòng)噪聲；在低風(fēng)速狀態(tài)下的高扭矩；能抵御更極端的風(fēng)。但是較低的風(fēng)能利用率是后者最大的短板，這也是限制垂直軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要原因[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究方面取得了較大的進(jìn)展[5]。Alam等人[6]設(shè)計(jì)了一種Savonius風(fēng)輪在上，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在下的組合型風(fēng)力機(jī)。Chong等人[7]設(shè)計(jì)了一種安裝在垂直軸風(fēng)力機(jī)周圍擋風(fēng)板性質(zhì)的聚風(fēng)裝置。曲建俊等人設(shè)計(jì)了一種活固葉片的升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)。

本文對(duì)某型垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)葉數(shù)、不同導(dǎo)流葉片數(shù)和不同尖速比下的工作流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，檢測(cè)了壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)，得出了不同情況下該風(fēng)機(jī)的工作性能，并得到了該型風(fēng)力機(jī)效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)葉數(shù)和導(dǎo)流葉片數(shù)的組合。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

圖1 二維風(fēng)力機(jī)計(jì)算模型

圖2 計(jì)算區(qū)域示意

1.2 計(jì)算方法

在涉及垂直軸風(fēng)力機(jī)CFD模擬的研究中，學(xué)者多采用SST k-ω湍流模型及其衍生模型計(jì)算，本研究亦采用SST k-ω湍流模型?？刂品匠滩捎门c文獻(xiàn)相同的二維雷諾平均守恒型N-S方程。采用SIMPLE算法求解壓力和速度的耦合方程。湍流動(dòng)能、湍流耗散率及動(dòng)量方程的差分格式均采用二階迎風(fēng)差分格式，時(shí)間差分為二階隱式差分。運(yùn)用網(wǎng)格滑移技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力機(jī)二維流場(chǎng)進(jìn)行非定常模擬。初始時(shí)刻，所有固體壁面靜止，整場(chǎng)空氣流速均勻分布，大小與入口速度大小一致。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取值0.001s。

1.3 模擬結(jié)果與分析

1.3.1 不同風(fēng)葉，導(dǎo)流葉片數(shù)量組合對(duì)Cp的影響

尖速比是用來(lái)表述風(fēng)力機(jī)特性的一個(gè)十分重要的參數(shù)。風(fēng)葉輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比稱為尖速比(λ)；葉片越長(zhǎng)或者葉片轉(zhuǎn)速越快，同風(fēng)速下的λ就越大。在風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)方向上安裝弧形導(dǎo)流葉片，可以改變?nèi)~輪周圍的流場(chǎng)特性，有效減少葉輪在迎風(fēng)的半個(gè)周期內(nèi)所產(chǎn)生的負(fù)力矩，提高風(fēng)力機(jī)效率。W代表導(dǎo)流葉片數(shù)量，N代表風(fēng)葉數(shù)量；為了研究導(dǎo)流葉片數(shù)和風(fēng)葉數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)效率的影響，本文對(duì)N=5、7、9、11、13；W=10、12、14、16、18的風(fēng)力機(jī)性能進(jìn)行了模擬研究。下圖顯示了上述每種風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能利用系數(shù)與N，W的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？煽闯?，當(dāng)N=7，W=16時(shí)本型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)取得最大值，最大值為15.5%。

圖3 Cp與不同N，W關(guān)系匯總曲線

1.3.2 流場(chǎng)對(duì)比分析

當(dāng)風(fēng)力機(jī)的A風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)到θ=0度的位置時(shí)，如下圖6渦量場(chǎng)所示。相對(duì)于N=7，W=16型風(fēng)力機(jī)；N=7，W=10型風(fēng)力機(jī)由于導(dǎo)流葉片數(shù)量稀疏，A風(fēng)葉左側(cè)相鄰兩導(dǎo)流葉片之間相互影響小，導(dǎo)流葉片左沿生成的渦體量較大，易與A風(fēng)葉遠(yuǎn)心端生成的渦聚合；聚合形成的更大體量渦會(huì)在速度場(chǎng)以及A風(fēng)葉繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的影響下進(jìn)入A風(fēng)葉的凹側(cè)，最終在A風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)到θ=75度附近脫離葉片。N=7，W=18型風(fēng)力機(jī)，迎風(fēng)側(cè)做功區(qū)均勻陣列的導(dǎo)流葉片形成的導(dǎo)流方向與風(fēng)葉在導(dǎo)流葉片附近的速度切線夾角過(guò)小，使得導(dǎo)流葉片處產(chǎn)生的分離渦與A風(fēng)葉遠(yuǎn)心端生成的渦易聚合并進(jìn)入A風(fēng)葉凹側(cè)。 由于在此運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間N=7，W=10；N=7，W=18型風(fēng)力機(jī)A風(fēng)葉凹側(cè)分離渦體量較N=7，W=16型要大，阻礙了氣流的進(jìn)入，從而降低了氣流對(duì)A風(fēng)葉所做的正功。這與壓力云圖上，除N=7，W=16型風(fēng)力機(jī)A風(fēng)葉凹處完全被高壓覆蓋，其他兩種風(fēng)力機(jī)A風(fēng)葉凹處近心端壓力均偏低的現(xiàn)象相符合。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)的A風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)到θ=126度的位置時(shí)，如下圖7所示，三種風(fēng)力機(jī)A風(fēng)葉左側(cè)都有G葉片對(duì)來(lái)流的嚴(yán)重阻擋；分離渦的撞擊成為A風(fēng)葉做正功的主要驅(qū)動(dòng)力。N=7，W=16型風(fēng)力機(jī)A風(fēng)葉左下方兩導(dǎo)流葉片前者產(chǎn)生的分離渦在后者的導(dǎo)流下向右上方流動(dòng)，沖擊A風(fēng)葉凹處從而在A風(fēng)葉凹側(cè)形成較高壓力，驅(qū)動(dòng)A風(fēng)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。N=7，W=10型風(fēng)力機(jī)，由于A風(fēng)葉下方兩導(dǎo)流葉片間距過(guò)大，導(dǎo)致后導(dǎo)流葉片對(duì)前導(dǎo)流葉片分離渦的導(dǎo)流效果差，前導(dǎo)流葉片分離渦向右下方流動(dòng)脫離了風(fēng)力機(jī)，降低了A風(fēng)葉做正功的能力。N=7，W=18型風(fēng)力機(jī)由于A風(fēng)葉下方導(dǎo)流葉片間距過(guò)小，多個(gè)導(dǎo)流葉片的分離渦發(fā)生聚合，并在速度場(chǎng)的影響下向右下方流動(dòng)，降低了A風(fēng)葉的做功能力。

圖4 三種結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的A風(fēng)葉，同周期運(yùn)行到θ=36度位置的壓力分布圖及區(qū)間內(nèi)渦量云圖

圖5 三種結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的A風(fēng)葉，同周期運(yùn)行到θ=126度位置的渦量分布圖及壓力分布圖

3 結(jié)論

本文對(duì)不同風(fēng)葉數(shù)，導(dǎo)流葉片數(shù)組合的某型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了風(fēng)力機(jī)附近渦量場(chǎng)及壓力場(chǎng)的分布情況，得到了風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比、風(fēng)葉數(shù)量，導(dǎo)流葉片數(shù)量等的變化規(guī)律。風(fēng)能利用系數(shù)的主要影響因素是尖速比，不同風(fēng)葉數(shù)，導(dǎo)流葉片數(shù)組合的該型風(fēng)力機(jī)皆在尖速比為0.55附近達(dá)到最大值，最佳的風(fēng)葉和導(dǎo)流葉片組合為風(fēng)葉數(shù)為7，導(dǎo)流葉片數(shù)為16，風(fēng)能利用系數(shù)最高可達(dá)到15.51%。當(dāng)導(dǎo)流葉片數(shù)小于16時(shí)，迎風(fēng)側(cè)做功區(qū)導(dǎo)流葉片邊緣的分離渦發(fā)展較充分體量較大，易與風(fēng)葉遠(yuǎn)心端的分離渦發(fā)生聚合，進(jìn)而阻礙了氣流進(jìn)入風(fēng)葉凹側(cè)做功；迎風(fēng)側(cè)阻力區(qū)由于導(dǎo)流葉片間隙過(guò)大導(dǎo)致相鄰葉片的分離渦不能相互聚合來(lái)阻擋氣流對(duì)風(fēng)葉凸側(cè)的沖擊，增大了風(fēng)葉凸側(cè)產(chǎn)生的阻力。當(dāng)導(dǎo)流葉片數(shù)量大于16時(shí)，迎風(fēng)側(cè)做功區(qū)均勻陣列的導(dǎo)流葉片形成的導(dǎo)流方向與風(fēng)葉在導(dǎo)流葉片附近的速度切線夾角過(guò)小，使得導(dǎo)流葉片產(chǎn)生的分離渦與風(fēng)葉遠(yuǎn)心端產(chǎn)生的渦聚合程度高。這些渦結(jié)構(gòu)改變了風(fēng)葉表面的壓力分布，導(dǎo)致風(fēng)葉做功能力下降。