H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動性能分析

單 樂,賀 龍,馬中武,趙玲霞

(1.河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 張掖 734000; 2.河西學(xué)院新能源研究所,甘肅 張掖 734000)

目前,大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍占據(jù)著主體地位,但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于起動風(fēng)速低、結(jié)構(gòu)簡單、無需偏航對風(fēng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注和研究的熱點(diǎn)[1-2]。應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動力學(xué)性能的研究方法主要有3種:理論分析法、實(shí)驗(yàn)探究法、數(shù)值計(jì)算法。目前,數(shù)值計(jì)算方法已成為一種重要研究方法,它通過計(jì)算機(jī)模擬在實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算中很難得到的復(fù)雜流場,其適用性強(qiáng)。

風(fēng)輪是H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲能量的關(guān)鍵部件,風(fēng)輪外流場非常復(fù)雜,空氣對于轉(zhuǎn)動部件是定常流動,但實(shí)際流動為慣性系下的非定常流動,傳統(tǒng)的理論分析方法不能準(zhǔn)確描述其外部流場。計(jì)算流體力學(xué)(CFD,computational fluid dynamics)中的移動網(wǎng)格是一種非定常計(jì)算模型,分析流動隨時(shí)間的變化情況,采用移動網(wǎng)格模型對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪流場進(jìn)行仿真具有可行性[3]。

二維CFD計(jì)算數(shù)據(jù)能夠描述風(fēng)輪外流場的一般特性,但忽略了氣體在葉展方向的流動。三維CFD計(jì)算數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確地描述實(shí)際風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性,在風(fēng)沙環(huán)境下,利用離散相模型(DPM,discrete phase model)計(jì)算數(shù)據(jù)可反應(yīng)固體顆粒對風(fēng)輪外流場的影響。通過CFD技術(shù),為改善H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的氣動性能提供理論支持,并為風(fēng)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 研究對象

以某小型3葉片H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象,風(fēng)輪直徑1 200 mm,葉片高度1 000 mm,葉片翼型為NACA0012,葉片弦長100 mm,葉片連接點(diǎn)位于1/4弦長處。在對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)空氣動力學(xué)性能進(jìn)行CFD數(shù)值模擬的過程中,將轉(zhuǎn)動軸、支撐桿以及連接法蘭等對風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩獲取影響較小的部件去除,以簡化計(jì)算模型,降低計(jì)算成本,提高計(jì)算效率。

1.2 計(jì)算區(qū)域建模

為空氣繞H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片流動的CFD數(shù)值計(jì)算域模型如圖1所示,計(jì)算區(qū)域劃分如圖2所示。該流動屬于外流問題,對風(fēng)輪氣動性能進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),靜止區(qū)域主要用于模擬外部流場,保持靜止,如圖2(b)所示。為了使風(fēng)輪產(chǎn)生的尾跡得到充分的發(fā)展,將入口邊界和出口邊界分別置于風(fēng)輪上、下風(fēng)向10倍和15倍風(fēng)輪直徑處。

圖1 計(jì)算域參數(shù)及邊界條件

圖2 計(jì)算區(qū)域劃分

旋轉(zhuǎn)區(qū)域模擬風(fēng)輪所在處的區(qū)域,是1個(gè)包含3個(gè)葉片的圓形區(qū)域,如圖2(a)所示。葉片作為風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的主要載體,需要在葉片附件進(jìn)行網(wǎng)格加密,生成高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格,所以在旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)部葉片所在位置處,又劃分出3個(gè)相互獨(dú)立的葉片子區(qū)域,如圖2(c)所示。

1.3 網(wǎng)格劃分

用CFD前處理工具Gambit進(jìn)行計(jì)算域的網(wǎng)格劃分,為保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,對于高雷諾數(shù)湍流模型,葉片表面近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法或增強(qiáng)壁面函數(shù)法,垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片表面有旋渦不斷分離,而后又重新附著,故葉片邊界層網(wǎng)格采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法處理[4],取y+=1,葉尖速比在0.5～3.0范圍內(nèi),并根據(jù)平板湍流邊界層理論,計(jì)算葉片表面第1層網(wǎng)格高度,計(jì)算公式為

(1)

其中:ρ為流體密度;L為特征尺寸,取翼型弦長值;μ為動力黏度;W為來流相對于葉片的相對速度;Re為雷諾數(shù);Cf為壁面摩擦系數(shù),取平板湍流邊界層指數(shù)規(guī)律壁面摩擦系數(shù);τw為壁面切應(yīng)力;V∞為來流速度;V*為摩擦速度;y為葉片表面第1層網(wǎng)格高度。

相對速度W計(jì)算公式為

(2)

其中:θ為風(fēng)輪方位角,即葉片位置;λ為葉尖速比,當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),其值越大則風(fēng)輪轉(zhuǎn)速越大。

當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí),雷諾數(shù)Re約為2.67×105,計(jì)算可得近壁面處第1層網(wǎng)格的高度為0.008 mm。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖3所示,從葉片表面到葉片子區(qū)域與旋轉(zhuǎn)區(qū)域交接面的節(jié)點(diǎn)間距增長率為1.1,生成二維葉片子區(qū)域的網(wǎng)格,且相鄰兩交界面處的網(wǎng)格大小一致。為節(jié)省計(jì)算資源,可適當(dāng)增大靜止區(qū)域遠(yuǎn)場處的節(jié)點(diǎn)間距。綜合考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性及計(jì)算機(jī)的可實(shí)現(xiàn)性,并驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性,最終將計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)定為435 468,其中轉(zhuǎn)動區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為268 066,靜止區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為167 402,動網(wǎng)格約占網(wǎng)格總數(shù)的61.5%。

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

2 求解設(shè)置

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

用FLUENT 軟件對垂直軸風(fēng)力機(jī)流場進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算,采用k-ωSST湍流模型[5-6],用SIMPLEC算法對速度和壓力進(jìn)行耦合,以加快收斂速度,動量方程、湍動能和湍流離散率采用二階迎風(fēng)格式,以保證計(jì)算精度。設(shè)定風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)0.005 s(即風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)1.2°)計(jì)算一次,則風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周有300個(gè)時(shí)間步,在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代20次直至在該時(shí)間步內(nèi)迭代收斂,殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為各個(gè)殘差值小于10-6。當(dāng)相鄰2個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)矩系數(shù)偏差小于1%時(shí)認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂[7-8]。

2.2 邊界條件設(shè)置

設(shè)置進(jìn)口為速度進(jìn)口,方向與進(jìn)口邊界垂直;出口為壓力出口,計(jì)示壓強(qiáng)為0,即出口區(qū)域?yàn)槲词軘_動的標(biāo)準(zhǔn)大氣。葉片表面為無滑移的固壁面(wall)邊界條件,它和葉片子區(qū)域同步運(yùn)動;靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域、旋轉(zhuǎn)區(qū)域和葉片子區(qū)域設(shè)置為交界面(interface)邊界條件,保證轉(zhuǎn)動網(wǎng)格與靜止網(wǎng)格能量和動量的傳遞。靜止區(qū)域上下兩表面設(shè)置為對稱面(symmetry)邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 二維計(jì)算域流場分析

入口風(fēng)速為10 m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為42 r/min時(shí),二維計(jì)算域CFD速度分布云圖如圖4所示。以風(fēng)輪最上方的葉片為研究對象,其初始方位角為0°,由于受上個(gè)周期尾流的影響,初始時(shí)刻該葉片的來流速度小,且攻角較小,故葉片上下表面速度分布差異不大,氣動力較小;葉片方位角在0°～90°范圍內(nèi)變化時(shí),葉片攻角逐漸增大,葉片上下表面速度分布差異增大,引起上下表面壓力分布不均勻,氣動力逐漸增大;葉片方位角在90°～180°范圍內(nèi)變化時(shí),攻角先增大后減小,在攻角增大期間,葉片出現(xiàn)失速現(xiàn)象,氣動力急劇減小,而攻角減小時(shí),氣動力隨之逐漸減小;葉片方位角在180°～360°范圍內(nèi)變化時(shí),該葉片處于上游葉片的尾流區(qū)域,葉片在前180°范圍內(nèi)產(chǎn)生并不斷增強(qiáng)直至脫落的旋渦,在向下游發(fā)展的過程中,影響通過下游葉片的氣流,限制下游葉片功率的捕獲;方位角在180°～270°范圍內(nèi)變化時(shí),葉片逐漸進(jìn)入尾流區(qū),攻角負(fù)向增大,氣動力逐漸增大;葉片方位角在270°～360°范圍內(nèi)變化時(shí),攻角先增大后減小,葉片完全進(jìn)入尾流區(qū),尾流影響增強(qiáng),在攻角增大期間,葉片失速,氣動力急劇減小,而攻角減小時(shí),氣動力隨之逐漸減小。

3.2 三維計(jì)算域流場分析

潔凈空氣下的三維H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在入口風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),采用與二維計(jì)算域相類似的計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果,分別用x=0,y=0,z=0 3個(gè)平面將計(jì)算域剖切開,得到截面處的速度場分布,如圖5所示。

圖5 三維計(jì)算域速度分布

三維垂直軸風(fēng)力機(jī)繞流流場相對于二維流場流動更加復(fù)雜,表現(xiàn)出很強(qiáng)的非定常性。沿葉展方向(z向)速度分布對稱,但由于氣流在展向方向的相互影響,各葉片在不同水平面上(z=常數(shù))速度并不相同,故平面上出現(xiàn)顯著變化的壓力分布,葉片上下表面沿葉展方向的壓力變化趨勢相同。就整個(gè)風(fēng)輪而言,上游葉片的失速更為明顯,上游葉片的尾流影響繞下游葉片的流動,導(dǎo)致下游葉片捕獲的風(fēng)能減小,所以整個(gè)風(fēng)輪在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期的風(fēng)能利用系數(shù)不高,最大風(fēng)能利用系數(shù)約為0.32。

潔凈空氣下的三維H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在入口風(fēng)速為10 m/s、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),分別用x=0,y=0,z=0 3個(gè)平面將三維計(jì)算域剖切開,得到截面處的渦量分布如圖6所示。渦量即為速度的旋度,每個(gè)葉片在同一平面和葉展方向上的旋渦不斷疊加,沿葉展方向,在葉片兩端即葉尖處的渦量最大。就風(fēng)輪而言,上游葉片處的旋渦強(qiáng)度高于下游葉片處的,上游葉片的旋渦相互疊加,在尾流中不斷發(fā)展,使流經(jīng)風(fēng)輪的能量不斷衰減,嚴(yán)重影響下游葉片風(fēng)能的捕獲。

圖6 三維計(jì)算域渦量分布

3.3 風(fēng)沙環(huán)境下流場分析

設(shè)置風(fēng)沙來流質(zhì)量流量為0.3 kg/s,顆粒物直徑為0.15 mm,風(fēng)沙來流速度為10 m/s,選擇DPM模型進(jìn)行仿真計(jì)算。分別用x=0,y=0,z=0 3個(gè)平面將三維計(jì)算域剖切開,得到風(fēng)沙環(huán)境下截面處的渦量分布如圖7所示。

圖7 風(fēng)沙環(huán)境下三維計(jì)算域渦量分布

相對于潔凈空氣,風(fēng)沙環(huán)境下,在葉尖處的渦量增加,且渦量的最大值出現(xiàn)在上翼面的后半段,主要是由于邊界層分離后,固體顆粒隨氣體沿翼面出現(xiàn)倒流,與隨氣流沿翼面順流的固體顆粒在翼面后半段匯合,從而出現(xiàn)顆粒物堆積,改變翼型的幾何形貌,形成“鋒面”,使得該處的湍流強(qiáng)度增加,渦量增大。在風(fēng)沙環(huán)境下,進(jìn)行葉片氣動外形設(shè)計(jì)時(shí),最好選擇對稱的相對厚度較小的翼型(如NACA0012),減小翼型相對厚度,可減小邊界層厚度增加趨勢,延緩邊界層分離。

4 結(jié)論

針對小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動性能,采用計(jì)算流體力學(xué)中的滑移網(wǎng)格技術(shù),對葉片及風(fēng)輪的流場進(jìn)行計(jì)算,得到如下結(jié)論:

(1) 對于小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),由于其攻角變化范圍大,流動復(fù)雜,其風(fēng)輪的三維流場表現(xiàn)出具有顯著非定常性的分離流動。

(2) 潔凈空氣下,風(fēng)力機(jī)葉片在葉尖處的渦量最大,上游葉片處的失速更加明顯,上游葉片的旋渦相互疊加,使尾流影響繞下游葉片的流動,減小風(fēng)能的捕獲,整個(gè)風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)約為0.32。

(3) 風(fēng)沙環(huán)境下,葉尖處的渦量進(jìn)一步增大,且渦量最大處在上翼面的后半段,在考慮風(fēng)沙作用進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選擇對稱的相對厚度不大的翼型,如NACA0012,從而延緩邊界層分離,增加氣動力。