鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬及建筑擾流分析

李爭 程立源 高夢海 張文達(dá)

摘 要： 為了提高風(fēng)力機(jī)組的整體性能，解決風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中受建筑物影響的問題，利用仿真分析軟件Fluent對不同葉片數(shù)的新型鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動性能研究，建立建筑物與風(fēng)力機(jī)組排布模型，分析建筑物擾流特性，對比擾流環(huán)境對風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)矩性能的影響。結(jié)果表明：3個葉片風(fēng)力機(jī)的整體性能更優(yōu);建筑物下游出現(xiàn)紊流區(qū)域，切向速度明顯增加，其附近的新型鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)矩性能明顯提升，驗(yàn)證了建筑物附近安裝鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)組的可行性。所提風(fēng)力機(jī)組排布方式可有效提升風(fēng)力機(jī)性能，為風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和建筑物附近風(fēng)力機(jī)排布提供參考。

關(guān)鍵詞： 空氣動力學(xué);垂直軸風(fēng)力機(jī);Fluent;轉(zhuǎn)矩;建筑物

中圖分類號：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06010

Numerical simulation of nautilus equiangular spiral wind

turbine and analysis of building turbulence

LI Zheng， CHENG Liyuan， GAO Menghai， ZHANG Wenda

（School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：

In order to improve the overall performance of wind turbines and solve the problem that the wind turbine is affected by the building in actual operation， the simulation analysis software Fluent was used to study the aerodynamic performance of the new Nautilus equiangular spiral wind turbine with different numbers of blades. The layout model of buildings and wind turbines were established， the turbulence characteristics of buildings were analyzed， and the torque performance of wind turbines in the turbulent environment were compared. The results show that the overall performance of the three-blade wind turbine is more superior; there is turbulence area at the lower position of the building， and the tangential speed is significantly increased; the performance of the new Nautilus equiangular spiral wind turbine near the building are significantly improved， which verifies the feasibility of installing the Nautilus equiangular spiral wind turbine near the building. The proposed arrangement of wind turbines can effectively improve the performance of wind turbines， and provide references for the optimal design of wind turbine structures and the arrangement of wind turbines near buildings.

Keywords：aerodynamics; vertical axis wind turbine; Fluent; torque; building

發(fā)量都居世界首位。風(fēng)能是一種可再生的清潔型能源，風(fēng)力發(fā)電可作為可再生能源的主力電源[1-4]。垂直軸風(fēng)力機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、占地面積小、噪聲低等優(yōu)勢，吸引了大量的學(xué)者進(jìn)行研究，進(jìn)一步促進(jìn)了垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展[5-8]。風(fēng)力機(jī)的性能受安裝位置的影響較大，建筑物下游的風(fēng)力機(jī)會受到建筑物對來流風(fēng)速大小、方向、湍流強(qiáng)度等的影響。如果能夠在建筑物附近找到風(fēng)力機(jī)合適的安裝位置，則可以避免低風(fēng)速區(qū)，利用局部大風(fēng)區(qū)域提高風(fēng)力機(jī)的性能。

風(fēng)力機(jī)的研究方法主要有實(shí)物實(shí)驗(yàn)法、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法和仿真模擬法。大多數(shù)研究采用數(shù)值模擬仿真的研究方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行分析，可以節(jié)約時間和研究成本。文獻(xiàn)[9]對不同水平面上的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行分析，兩臺風(fēng)力機(jī)相互促進(jìn)，提升整個風(fēng)力機(jī)組的性能。文獻(xiàn)[10—11]分別從風(fēng)力機(jī)仿真過程中二維、三維的模型選取進(jìn)行了綜合分析。二維仿真的計(jì)算時間短，仿真結(jié)果優(yōu)于實(shí)驗(yàn)值;三維仿真可以更好地反映出實(shí)際情況，但是運(yùn)算時間長。改變風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用新的計(jì)算方法可提升風(fēng)力機(jī)的性能以及仿真模擬的計(jì)算精度。文獻(xiàn)[12]將垂直軸風(fēng)力機(jī)與外軸風(fēng)力機(jī)相組合，最大程度上減少了功率波動和到達(dá)峰值的時間，提高了風(fēng)力機(jī)的效率。文獻(xiàn)[13]對三維建筑物周圍的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相似。建筑群間的繞流也比單個建筑物要復(fù)雜得多，建筑物后方的流場存在復(fù)雜漩渦區(qū)，不利于空氣的擴(kuò)散傳播，嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]根據(jù)超高層建筑的集風(fēng)效應(yīng)，提出在高層建筑上尋找較高風(fēng)速和較低湍流強(qiáng)度的位置安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以有效降低棄風(fēng)率。這些研究對推動風(fēng)力機(jī)的發(fā)展非常有價值，但是關(guān)于哪種建筑物對應(yīng)哪種特定的風(fēng)力機(jī)模型的研究相對較少。

為了得到較好的風(fēng)力機(jī)模型，本文對2，3，4個葉片的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性和風(fēng)能利用率進(jìn)行比較分析，確定風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)量，然后分析建筑物附近的繞流特性，并仿真模擬計(jì)算建筑物周圍4個特定位置風(fēng)力機(jī)組的轉(zhuǎn)矩，觀察風(fēng)力機(jī)性能的變化，以期為建筑物附近安裝新型鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)組的可行性提供理論依據(jù)。

1 風(fēng)力機(jī)性能系數(shù)相關(guān)定義

根據(jù)牛頓第二定理[15-16]，

F=ma，

E=12mv2，

式中：F為風(fēng)力;m為空氣質(zhì)量;a為加速度;E為動能。

風(fēng)能能量為

P=12ρSv3，

式中：ρ為空氣密度;S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積;v為來流風(fēng)速。

風(fēng)力機(jī)功率為

Pw=Tω，

式中：T為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩;ω為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。

風(fēng)能利用率Cp是衡量垂直軸風(fēng)力機(jī)的重要指標(biāo)，其計(jì)算式為

Cp=Tω12ρSv3。

尖速比TSR定義為葉尖切向速度與來流風(fēng)速的比值：

TSR=Rωv，

式中R為風(fēng)力機(jī)半徑。

2 幾何模型及計(jì)算域的創(chuàng)建

在對新型鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行分析時，為了節(jié)約計(jì)算資源和減少計(jì)算時間，本文只對鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪部分進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1為3種不同葉片數(shù)的風(fēng)輪模型。風(fēng)力機(jī)的入風(fēng)口截面為橢圓形并且3個葉片間的螺線角距離相等，風(fēng)力機(jī)入口處橢圓的長軸為0.33 m，短軸為0.15 m。鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的外形是特殊弧形結(jié)構(gòu)， 且風(fēng)輪的整體結(jié)構(gòu)相對圓滑。它的橫截面接近橢圓形，有效減少了風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)時的風(fēng)阻，使得風(fēng)力機(jī)可以獲得較大的旋轉(zhuǎn)速度。在風(fēng)輪材料強(qiáng)度允許的情況下，風(fēng)力機(jī)能夠以較高速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生更多電能。風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)時保證一直存在1個葉片處于迎風(fēng)狀態(tài)，其余葉片的另一側(cè)恰好處于背風(fēng)處。這種阻力型風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中有效提升了轉(zhuǎn)矩差，產(chǎn)生更大旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，有效提高了風(fēng)力機(jī)的空氣動力學(xué)性能。 在進(jìn)行繞流特性分析時選取規(guī)則的長方體墻體代替建筑物墻體。風(fēng)力機(jī)和建筑物的參數(shù)如表1所示。

為了盡可能模擬風(fēng)力機(jī)實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境，準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)力機(jī)的基本性能，首先構(gòu)建流體仿真中風(fēng)力機(jī)的計(jì)算域。整個計(jì)算域內(nèi)的介質(zhì)為均勻的空氣，計(jì)算域的尺寸遠(yuǎn)大于風(fēng)力機(jī)模型的大小，如圖2所示，風(fēng)力機(jī)的計(jì)算域尺寸為20 m×10 m×5 m。

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用。鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片外形是特殊的曲面結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格劃分時采用六面體及四面體結(jié)構(gòu)會降低計(jì)算精度，存在劃分時間長等缺點(diǎn)。本文采用非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格劃分方法，以有效降低網(wǎng)格的出錯率并提高網(wǎng)格劃分的效率[17-18]，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為25萬個。網(wǎng)格劃分時增加了旋轉(zhuǎn)域和風(fēng)輪葉片的網(wǎng)格密度，該部分網(wǎng)格數(shù)量有14萬個，后處理的過程中可以清晰觀察出整個計(jì)算域中云圖分布特點(diǎn)。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 計(jì)算方法

在實(shí)際求解過程中選擇合適的湍流模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真模擬時合適的湍流模型不僅可以增加計(jì)算效率，還可以將計(jì)算精度控制在合理的范圍內(nèi)，使計(jì)算結(jié)果更加與實(shí)際情況相符。與RNG k-ε模型相比，Standard k-ε模型適用范圍廣，計(jì)算量合適，有較多的數(shù)據(jù)積累和適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，因此選擇Standard k-ε模型進(jìn)行計(jì)算[19-20]。入口速度v為6 m/s，出口壓力為0 Pa，計(jì)算域4面為墻體，流體材質(zhì)為氣體。在進(jìn)行垂直軸風(fēng)力機(jī)的數(shù)值仿真計(jì)算時，當(dāng)風(fēng)輪的切向力系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的周期性變化時，視為計(jì)算結(jié)果收斂。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)力機(jī)分析

假設(shè)來流風(fēng)速固定為6 m/s，風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為5°/s，且2，3，4葉片的風(fēng)力機(jī)分別旋轉(zhuǎn)1周，繪制出風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩波形圖，如圖4所示，3種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率如圖5所示。

從圖4可知，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的大小并不隨著葉片數(shù)的增加而增大，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性也不與葉片數(shù)有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)風(fēng)力機(jī)為2個葉片時，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動最大，工作時至少有半個周期風(fēng)力機(jī)處于背風(fēng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩值下降。風(fēng)力機(jī)為3個葉片時，風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩位于其他2種風(fēng)力機(jī)之上，3個葉片的風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩峰值也較大。風(fēng)力機(jī)為4個葉片時，轉(zhuǎn)矩波動與3個葉片的風(fēng)力機(jī)相比較小，轉(zhuǎn)矩峰值與轉(zhuǎn)矩平均值均小于3個葉片的風(fēng)力機(jī)。

從圖5可知，葉片數(shù)量為2，3，4時，風(fēng)能利用率的曲線逐漸向低尖速比的方向移動。葉片數(shù)為2時，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的尖速比范圍與其他二者相比較大，但其提供的啟動力矩小，自啟動的性能較差;葉片數(shù)為3，4時，隨著葉片數(shù)量的增加，風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的尖速比范圍變窄，最大的風(fēng)能利用率Cp也變小。在葉片增加的過程中，最大的風(fēng)能利用率Cp對應(yīng)的尖速比也在減小。由于鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的特殊結(jié)構(gòu)，實(shí)度也會隨著葉片數(shù)量的增多而增加，在一定程度上增加風(fēng)輪的阻力。到達(dá)葉片上的風(fēng)速變小，進(jìn)一步降低葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，風(fēng)能利用率Cp下降，并且向低尖速比的方向移動;隨著葉片數(shù)的增加，低速旋轉(zhuǎn)時風(fēng)力機(jī)更容易產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，也更容易啟動。綜合考慮風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩特性、壓力特征、在較寬范圍內(nèi)的尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)[21]以及結(jié)合材料和成本問題，認(rèn)為鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)量為3時最佳。

3.2 建筑物擾流分析

城市環(huán)境中的建筑物嚴(yán)重影響風(fēng)速的流動方向，建筑物附近會產(chǎn)生部分的漩渦紊流區(qū)域，而建筑物周圍出現(xiàn)的切向風(fēng)速會嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能。本文利用Fluent對建筑物進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，通過觀察建筑物2個特殊位置的風(fēng)速矢量圖，分析建筑物對來流風(fēng)速的干擾范圍和速度變化波動，驗(yàn)證建筑物附近安裝新型鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)的可行性，增加風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。建筑物附近的風(fēng)速矢量圖如圖6所示。

根據(jù)圖6的速度矢量圖，可以觀察到建筑物對來流風(fēng)速在水平和垂直方向的影響非常大。當(dāng)上游的風(fēng)遇到建筑物時，在建筑物前緣出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象。風(fēng)沿著建筑物周圍向下游擴(kuò)散時，會出現(xiàn)環(huán)繞現(xiàn)象。建筑物兩側(cè)和頂端向下的風(fēng)速流線相互交織，一起向建筑物的下游傳播擴(kuò)散。建筑物后方的湍流尾流變窄，風(fēng)向、風(fēng)速等變化十分紊亂，在下游流場形成漩渦。建筑物的正后方風(fēng)速會出現(xiàn)較大的漩渦，隨著距離的增加漩渦逐漸變小，另外該區(qū)域風(fēng)速低、風(fēng)速變化頻繁。在整個計(jì)算域內(nèi)最高風(fēng)速為9.408 m/s，是來流風(fēng)速的1.568倍。同時可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)在建筑物頂端和兩側(cè)都出現(xiàn)了明顯的分離擾流現(xiàn)象，因此建筑物邊緣附近的切向風(fēng)速會大于來流風(fēng)速。在距建筑物頂端較低位置時風(fēng)速會出現(xiàn)下降，也就是距離建筑物頂部的較低范圍內(nèi)的風(fēng)速會小于來流風(fēng)速。

3.3 風(fēng)力機(jī)組的數(shù)值模擬

通過對建筑物的速度流場進(jìn)行數(shù)值分析，可以間接證明在建筑物附近安裝風(fēng)力機(jī)能在一定程度上提高風(fēng)力機(jī)性能。為進(jìn)一步驗(yàn)證建筑物附近安裝風(fēng)力機(jī)組的可行性，對風(fēng)力機(jī)組在特定位置的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，圖7是建筑物周圍的風(fēng)力機(jī)組分布圖。建筑物前方4R處為1號風(fēng)力機(jī)，左右兩側(cè)5R處分別為2號和4號風(fēng)力機(jī)，正上方4R處為3號風(fēng)力機(jī)。

圖8為風(fēng)力機(jī)的壓力云圖，建筑物與1號風(fēng)力機(jī)之間的距離相對較近，1號風(fēng)力機(jī)受到建筑物的反壓影響，由于建筑物的阻礙，來風(fēng)來不及擴(kuò)散，其整個風(fēng)輪的葉片受到較大壓力。整個風(fēng)力機(jī)壓力增大會增加風(fēng)力機(jī)的振動頻率，對風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生消極影響，降低風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定性。由于建筑物附近壓強(qiáng)擴(kuò)散的影響，2號風(fēng)力機(jī)受到的壓強(qiáng)要稍稍大于4號風(fēng)力機(jī)受到的壓強(qiáng)。3號風(fēng)力機(jī)與建筑物的距離相對較大，建筑物后方的負(fù)壓區(qū)域和正壓區(qū)域形成的壓力差會產(chǎn)生大風(fēng)區(qū)域， 3號風(fēng)力機(jī)能夠獲得更多的風(fēng)能，從而降低棄風(fēng)率。

圖9為建筑物周圍4臺風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩圖，1號風(fēng)力機(jī)與建筑物之間的壓力差較小，此范圍內(nèi)的風(fēng)速變化復(fù)雜，風(fēng)能相互抵消，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小。建筑物兩側(cè)的速度流場對稱，2號和4號風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩相差較小，與1號風(fēng)力機(jī)相比轉(zhuǎn)矩大，能夠產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。建筑物上方的3號風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩是4臺風(fēng)力機(jī)中最大的。綜合分析，除了1號風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩偏小，其他3臺風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩都大于1號位置的轉(zhuǎn)矩，說明建筑物附近的風(fēng)力機(jī)應(yīng)盡量安裝在建筑物兩側(cè)和上方的位置。另外，也證實(shí)：在建筑物附近安裝新型鸚鵡螺垂直軸風(fēng)力機(jī)組是可行的，而且在合適的位置可以增加風(fēng)力機(jī)的動力性能。

4 結(jié) 語

本文對2，3，4葉片的鸚鵡螺風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，對比風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能和風(fēng)能利用率，得出3個葉片的鸚鵡螺等角螺線型風(fēng)力機(jī)性能最優(yōu)。在建筑物工況下模擬，發(fā)現(xiàn)建筑物擾流對下游的風(fēng)速和流向產(chǎn)生影響，其中最大風(fēng)速約是來流風(fēng)速的1.5倍。對建筑物附近風(fēng)力機(jī)組的壓力以及轉(zhuǎn)矩特性分析發(fā)現(xiàn)，1號風(fēng)力機(jī)位置風(fēng)速變化紊亂，風(fēng)力機(jī)使用壽命會降低，2，3，4號風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性明顯提升。本文中的排布方式可以有效提高風(fēng)力機(jī)組的性能，使風(fēng)能得到更有效的利用。本文僅針對建筑物特定位置風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行了研究，未來將會對多種排布方式展開研究，進(jìn)一步提升城市風(fēng)能利用效率。

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