動態(tài)格尼襟翼對垂直軸風力機性能的影響

向 斌 繆維跑,2 李 春,2 倪露露

1. 上海理工大學能源與動力工程學院，上海，200093

2. 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海，200093

0 引言

風能因清潔、無污染和儲量豐富等優(yōu)點成為世界上增長速度最快的可再生能源，且技術上已具備大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的條件，使其在世界各國能源戰(zhàn)略中凸顯重要地位，未來將成為能源經濟的重要組成部分之一[1-3]。較之于水平軸風力機，垂直軸風力機因其無需對風偏航、結構簡單、安裝和維護成本低及噪聲污染小等優(yōu)點備受重視[4-5]，但其運行過程中流場結構和氣動特性較水平軸風力機復雜，導致風能利用率較低[6-7],因此，采用有效的裝置提高垂直軸風力機氣動效率尤為關鍵。

格尼襟翼是一種安裝在翼型尾緣以改善空氣動力學性能的增升裝置。20世紀70年代，美國學者Dan Gurney首次將其應用于F1賽車上[8]。1978年，LIEBECK等[9]將格尼襟翼加裝在翼型尾緣，研究發(fā)現(xiàn)格尼襟翼具有明顯的增升減阻效果。JANG等[10]在翼型NACA4412尾緣安裝格尼襟翼，結果表明格尼襟翼可增大翼型升力系數(shù)和俯仰力矩，并能在中等攻角條件下延緩翼型流動分離點。GRAHAM等[11]通過風洞實驗發(fā)現(xiàn)一定攻角范圍內，格尼襟翼增升效果隨格尼襟翼高度增大而增大，隨厚度增大而減弱。SHUKLA等[12]在距原始翼型尾緣10%的位置加裝格尼襟翼并布置凹槽，發(fā)現(xiàn)當攻角小于12°時，較無凹槽格尼襟翼，有凹槽格尼襟翼翼型的氣動性能更好。BIANCHINI等[13]研究了格尼襟翼安裝位置和高度對垂直軸風力機性能的影響，結果表明格尼襟翼能有效延遲翼型失速，且在垂直軸風力機內側安裝高度為0.02c(c為翼型弦長)的格尼襟翼時，可增大轉矩，增大整機功率系數(shù)。ZHU等[14]分析凹槽和格尼襟翼在垂直軸風力機中的應用，發(fā)現(xiàn)固定在葉片尾緣外側的格尼襟翼使風能利用系數(shù)增大10.92%，減小氣動載荷的波動，外側格尼襟翼加凹槽可使風能利用系數(shù)增大17.92%。ZHANG等[15]采用數(shù)值模擬方法研究了格尼襟翼對水平軸風力機氣動性能的影響，結果表明，格尼襟翼可增加葉片局部推力和扭矩值，推力隨著格尼襟翼高度的增大而增大；當尖速比為6.35時，格尼襟翼可使風力機功率提高21%，且使分離位置向后緣移動。綜上可知，格尼襟翼具有顯著增升效果，應用于風力機時可提高翼型氣動性能。

格尼襟翼的作用機理是在翼型壓力面形成局部高壓區(qū)，從而提高翼型升力[16]，因此，為達到最佳控制效果，格尼襟翼需安裝于風力機葉片翼型的壓力面。然而，垂直軸風力機在運行過程中葉片實際攻角出現(xiàn)正負周期性變化，使壓力面和吸力面存在相互交替現(xiàn)象，導致固定于翼型尾緣的傳統(tǒng)格尼襟翼在部分區(qū)域未取得增升效果。本文設計了一種可在葉片壓力面和吸力面兩側往復伸縮以實現(xiàn)最佳流動控制效果的新型動態(tài)格尼襟翼。通過計算流體力學軟件STAR-CCM+進行數(shù)值計算，利用滑移網格和重疊網格相結合的技術解決葉片旋轉和格尼襟翼伸縮的復合運動問題，研究不同控制方式對風能利用系數(shù)的影響，并對格尼襟翼伸出高度改善氣動的效果開展定量研究。

1 計算模型及網格

1.1 格尼襟翼改進模型

文獻[17]表明，無扭轉和變截面的H型直線翼垂直軸風力機葉片展弦比h/c>10(h為葉片高度)時，二維模型與三維模型在力矩系數(shù)和風能利用系數(shù)上的誤差小于6%，對計算結果影響較小，故本文采用二維模型進行數(shù)值分析以提高計算效率。以NACA0021作為原始翼型，弦長c為85.8 mm，最大厚度為0.21c。以原始翼型為基礎，參考文獻[18]的布置方式，在距翼型前緣0.9c處布置動態(tài)格尼襟翼，幾何參數(shù)如圖1所示。為便于實現(xiàn)格尼襟翼的往復運動，與翼型之間設置寬度為0.001 75c的縫隙，襟翼寬度為0.003 5c。

圖1 具有動態(tài)格尼襟翼的翼型結構

動態(tài)格尼襟翼垂直軸風力機模型如圖2所示，來流風速沿x軸正向，θ為風輪相位角，ω為葉片旋轉角速度。本文選用的直線翼垂直軸風力機參照文獻[19]，基本參數(shù)見表1。

圖2 動態(tài)格尼襟翼垂直軸風力機模型

表1 垂直軸風力機主要參數(shù)

1.2 動態(tài)格尼襟翼控制方式

垂直軸風力機葉片在一個旋轉周期內，吸力面與壓力面隨相位角增大交替變化(圖2)。為對比動態(tài)格尼襟翼控制效果，針對圖2中的幾何模型，采用4種不同方式控制格尼襟翼的運動。圖3所示為一個周期內格尼襟翼伸出高度隨相位角變化的曲線。

(a) 控制方式1

圖3中，高度值L為負時表示襟翼向風輪內側方向伸出?？刂品绞?的格尼襟翼伸出高度以正弦曲線的形式變化(圖3a)，控制方式2與控制方式1變化形式相反(圖3b)，控制方式3表示格尼襟翼在葉片處于迎風區(qū)向外側伸出(圖3c)，控制方式4與控制方式3變化形式相反(圖3d)。4種格尼襟翼運動形式的速度函數(shù)如下：

控制方式1

v=4T-1Lmaxcos(ωt)

(1)

控制方式2

v=-4T-1Lmaxcos(ωt)

(2)

控制方式3

(3)

控制方式4

(4)

式中，v為格尼襟翼運動速度，m/s；Lmax為格尼襟翼伸出最大高度，m；t為時間，s；T為葉片旋轉周期，s。

1.3 計算域及網格劃分

垂直軸風力機計算域及邊界條件如圖4所示，計算域劃分為5個子區(qū)域，S1為外流域，S2為網格加密區(qū)，S3為主旋轉域，S4為葉片控制域，S5為內流域，不同域之間均設置為Interface邊界(虛線表示)。其中，計算域O為風輪旋轉中心，D為風輪直徑，ab為速度進口，距轉軸中心為15D，ad、bc分別距旋轉中心15D且為對稱邊界，壓力出口cd距轉軸中心35D，葉片和轉軸表面為無滑移壁面。流體介質為空氣，密度為1.184 kg/m3，動力黏度為1.855×10-5kg/(m·s)，來流速度v∞為9 m/s。

圖4 計算域劃分及邊界條件

較之四面體網格，多面體網格具有更好的收斂性和較小的網格依賴性，硬件資源要求更低，計算時間更短，可大幅提高計算性能[20]，因此，本文采用STAR-CCM+多面體網格生成器生成二維多邊形網格，在翼型壁面采用結構化網格邊界層，可保證較好地捕捉近壁面剪切層和分離流。

在整個流場的計算中，風輪主旋轉域與外流域之間采用滑移網格技術，保證交界面處的信息傳遞[21]。重疊網格技術保證原始網格質量的同時，在處理單體復合運動方面具有較大優(yōu)勢[22]，因此，本文采用重疊網格技術實現(xiàn)格尼襟翼的動態(tài)運動控制。外流域、風輪旋轉域及動態(tài)格尼襟翼局部網格分布如圖5所示。翼型和格尼襟翼表面第一層網格高度約2×10-5m，以保證y+(y+為量綱一壁面距離)值小于1，使湍流模型可捕捉邊界層黏性底層的流動。

圖5 計算域網格分布

1.4 計算方法及湍流模型

本文采用計算流體力學軟件STAR-CCM+進行數(shù)值模擬，基于有限體積法對Navier-Stokes(N-S)流動控制方程進行離散，采用雙時間步法對雷諾時均非定常不可壓縮的N-S方程進行求解。壓力速度耦合基于SIMPLE算法，控制方程的各項均采用二階迎風格式，時間離散采用二階隱式格式。

根據文獻[23-24]對比不同湍流模型對計算結果影響的研究，在保證計算精度與時間成本上，SSTk-ω湍流模型具有較高的靈活性和穩(wěn)定性，因此，本文選擇SSTk-ω湍流模型進行求解。每個時間步長風輪旋轉0.5°，選取第10周穩(wěn)定結果進行分析。

2 有效性驗證

尖速比λ用于反映風力機運行工況，即葉片線速度與來流風速的比值：

λ=Rω/v∞

(5)

風能利用系數(shù)Cp與力矩系數(shù)Cm是判斷風力機氣動性能的重要參數(shù)，計算公式如下：

(6)

(7)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；P為風力機輸出功率，W；A為掃風面積，m2；M為平均轉矩，N·m。

網格數(shù)量不僅影響計算精度，還會影響計算效率，故需對網格進行無關性驗證。對λ=2.5、來流風速v∞=9 m/s的原始垂直軸風力機進行驗證。由圖6可知，網格數(shù)量為20.7萬時，垂直軸風力機整機的平均轉矩為2.03 N·m，而當網格數(shù)量增加到59萬時，平均轉矩趨于穩(wěn)定，維持在3.3 N·m附近。當網格數(shù)量增加到97萬時，平均轉矩幾乎保持不變，因此，選取總網格數(shù)59萬可滿足計算精度要求。

圖6 網格無關性驗證

為驗證計算模型可靠性，對原始垂直軸風力機在不同尖速比情況下進行數(shù)值計算，并與文獻[17]中的實驗結果對比分析，結果如圖7所示。由圖7可知，計算值與實驗值總體上吻合較好，低尖速比下與實驗值保持一致；高尖速比下存在一定差異，主要原因在于二維計算忽略葉尖損失和塔架及支撐桿的影響，但數(shù)值計算能捕捉到風力機的最佳尖速比，并且曲線變化趨勢與實驗值較好吻合，說明采用的網格劃分及計算模型能夠準確地模擬垂直軸風力機氣動性能。

圖7 風能利用系數(shù)計算值與實驗值對比

3 結果分析

3.1 氣動特性分析

采用不同方式控制格尼襟翼運動，所計算的垂直軸風力機風能利用系數(shù)隨尖速比變化如圖8所示，其中格尼襟翼向兩側伸出的最大高度為0.02c。

圖8 不同控制方式下風能利用系數(shù)隨尖速比的變化

由圖8可見，4種不同控制方式均可提高垂直軸風力機風能利用系數(shù)。采用不同控制方式后，垂直軸風力機最佳尖速比從2.6降為2.5，最佳尖速比降低可使葉片在更低的轉速下獲得最佳風能利用系數(shù)，提高風力機運行穩(wěn)定性。對比發(fā)現(xiàn)，較之其他控制方式，控制方式1的效果相對最好，且風能利用系數(shù)整體較高。當λ=2.5時，格尼襟翼采用控制方式1使風能利用系數(shù)達到最大值0.484，較原始風力機最大風能利用系數(shù)增大了27.9%，而控制方式2、3、4的最大風能利用系數(shù)為0.455、0.473、0.453，分別增大了20.1%、25.1%、19.7%。當λ>2.5時，風能利用系數(shù)隨著尖速比增加，格尼襟翼的控制效果減弱。

為說明動態(tài)格尼襟翼對垂直軸風力機葉片受力的影響，分別取1.7、2.5及3.3三種不同尖速比下單葉片切向力隨相位角的變化，結果如圖9所示。

由圖9可知，尖速比為1.7時，采用不同控制方式均能增大單葉片的最大切向力，有效提高了垂直軸風力機低風速下的啟動力矩。當尖速比達到2.5時，采用不同控制方式，葉片所受切向力有明顯差異；葉片位于迎風區(qū)60°～180°，具有動態(tài)格尼襟翼葉片的最大切向力均大于原始葉片的最大切向力，且格尼襟翼向外側運動時，葉片受到的最大切向力大于其他運動方式的最大切向力；葉片位于背風區(qū)240°～360°，向內側伸出動態(tài)格尼襟翼葉片受到的平均切向力較大。當尖速比為3.3時，僅在迎風區(qū)格尼襟翼向外伸出，背風區(qū)向內伸出時，較原始葉片切向力有所提高。

(a) λ=1.7

3.2 流場特性

圖10所示為不同相位角下翼型尾緣附近流場狀態(tài)，選取最佳控制方式1和最佳尖速比為2.5的情況，分析格尼襟翼對葉片尾緣流場特性的影響。圖10中給出了相位角為0°、60°、120°、180°、240°和300°時葉片尾緣相對速度及壓力分布。

圖10 葉片尾緣相對速度與壓力分布

由圖10可知，葉片位于0°時，葉片保持原始形狀，兩者葉片表面壓力分布相同。葉片位于60°時，葉片表面壓力分布出現(xiàn)明顯不同，受格尼襟翼的作用，壓力面?zhèn)葔毫Ψ植即笥谠既~片，增大了葉片兩側壓差，為葉片提供更大的切向力。當葉片從60°轉到120°時，原始葉片尾緣吸力面出現(xiàn)較大分離渦，并開始從尾緣開始脫落，而具有格尼襟翼控制的葉片，其尾緣附近僅有較小分離渦，未發(fā)生明顯的脫落現(xiàn)象。對比葉片在180°相位角可知，原始葉片尾跡中有較低負壓區(qū)，該區(qū)域由脫落的分離渦產生，而格尼襟翼葉片尾緣產生相對較小的分離渦。當葉片位于背風區(qū)240°和300°時，格尼襟翼抑制分離渦在吸力面產生和發(fā)展，同時提高了壓力面?zhèn)葔毫?。當葉片轉到360°時，整個流場結構進入下一個周期循環(huán)，與切向力周期性變化結果一致。

3.3 格尼襟翼高度的影響

翼型尾緣布置動態(tài)格尼襟翼能有效抑制動態(tài)失速，提高風力機氣動性能。為探究格尼襟翼伸出最大高度對垂直軸風力機氣動性能的影響，在Lmax分別為0.01c、0.02c、0.03c及0.04c時進行數(shù)值模擬，其風能利用系數(shù)隨尖速比變化情況見圖11。

圖11 不同尖速比下風力機的風能利用系數(shù)隨格尼襟翼高度的變化

由圖11可知，尖速比在2.5左右時，不同高度的格尼襟翼均能保持較高的風能利用系數(shù)。當λ<2.5時，格尼襟翼高度對風力機氣動性影響較小。λ為2.0時，4種高度下的風能利用系數(shù)均保持在0.24左右，說明在低尖速比情況下，格尼襟翼高度對垂直軸風力機的氣動性能影響較小。當λ>2.5時，格尼襟翼高度對風力機氣動性能影響開始顯著。λ=3.3，格尼襟翼Lmax為0.01c時，Cp約0.41，而高度增大至0.04c時，Cp降至0.27，風能利用系數(shù)減小了34%。因此，在高尖速比情況下，格尼襟翼高度過大會使控制效果急劇減弱。

為直觀地說明尖速比為3.3時格尼襟翼高度對垂直軸風力機氣動性能的影響，圖12給出了不同高度和不同相位角下的整機轉矩系數(shù)。

圖12 不同高度格尼襟翼在不同相位角下整機轉矩系數(shù)

由圖12可見，格尼襟翼高度L為0.01c和0.02c時，最大轉矩系數(shù)在0.23左右，且所有轉矩系數(shù)均大于零。當格尼襟翼大于0.02c后，最大轉矩系數(shù)出現(xiàn)明顯波動，最大值均減小。高度L為0.03c時，最大值減小了10%；高度L為0.04c時，最大值減小了15%，且最小值均出現(xiàn)負值。由此可知，格尼襟翼伸出高度過大，不僅嚴重降低了風力機氣動性能，還增大了氣動載荷波動和疲勞載荷。

4 結論

(1)在距垂直軸風力機葉片前緣0.9c處布置動態(tài)格尼襟翼，能有效提高風能利用系數(shù)；在不同控制方式中，當葉片位于迎風區(qū)、格尼襟翼向外伸出，位于背風區(qū)、向內側伸出時，風能利用系數(shù)最大。

(2)動態(tài)格尼襟翼可降低最佳尖速比，使風力機在相同風速下降低轉速，從而減小葉片離心力，提高風力機的穩(wěn)定性和安全性。

(3)低尖速比下，采用格尼襟翼能有效抑制葉片尾緣流動分離，增大葉片切向力，提高風力機在低風速下的啟動力矩。

(4)當葉片尾緣格尼襟翼伸出高度大于0.02c時，隨尖速比增大，風能利用系數(shù)逐漸減?。涣叵禂?shù)隨高度增大而減小，最大轉矩系數(shù)出現(xiàn)明顯波動，使葉片疲勞載荷增大。