基于數(shù)值模擬的INVELOX聚風裝置進氣口改進措施研究

宋紹偉，丁 力，伊 超，朱文斌

（1.國家能源投資集團有限責任公司，北京100011；2.國電環(huán)境保護研究院有限公司，江蘇 南京210031）

0 引言

風能是當今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗?。受全球氣候變暖和能源危機的影響，風力發(fā)電機，特別是水平軸風力機在過去幾十年得到了迅猛地發(fā)展。然而，隨著風力機單機容量的不斷攀升，巨型葉片對制造、運輸、安裝和維護等環(huán)節(jié)提出了巨大的挑戰(zhàn)。同時，風輪較高的葉尖速度給鳥類飛行帶來了很大的安全隱患，葉片產生的低頻噪聲也嚴重危害著人類的健康。鑒于水平軸風力機的這些問題，人們設計并發(fā)展了涵道式風力機。風力機外圍的涵道不僅可以減小旋轉葉片對周圍環(huán)境的影響，還可以在一定程度上起到聚集風能并加速氣流的作用。本文所研究的INVELOX（Increased Velocity）聚風裝置便是涵道式風力機中的一種[1]。

INVELOX聚風裝置的頂部為環(huán)繞一周的喇叭狀結構，此結構可以收集來自任意方向的風能。氣流經(jīng)擋板、漏斗和管道引導后輸運至靠近地面的文丘里管，文丘里管內安裝的風力機在加速氣流的推動下實現(xiàn)做功并帶動發(fā)電機發(fā)電。INVELOX聚風裝置具有以下優(yōu)點：首先，該裝置為萬向設計結構，即無需任何對風裝置便可獲得任意方向的風能；其次，該裝置將高處的風能通過管道引導至地面，因此發(fā)電裝置可以安裝在離地面較近的位置，便于設備維護；再次，文丘里管的收縮造型能夠有效增加氣流速度，提升發(fā)電功率；最后，由于風力機安裝在文丘里管內部，不僅可以保證野生動物免受旋轉葉片傷害，同時能夠阻擋外界異物對發(fā)電設備的干擾。

Allaei D[1]對INVELOX原型開展了現(xiàn)場實測以及數(shù)值模擬，結果表明，該裝置的發(fā)電量非?？捎^。文獻[2]對INVELOX聚風裝置開展了試驗研究，由于氣流在文丘里管中得到了加速，因此可以驅動不止1臺風力機，在文丘里管中安裝了3臺風力機后，系統(tǒng)的輸出功率得到了明顯提升。Sotoudeh F[3]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，研究了INVELOX風力機系統(tǒng)在錫斯坦平原低風速區(qū)域的性能表現(xiàn)，并著重考察了裝置安裝高度對風力機輸出功率和噪聲特性的影響，研究結果表明，相比于10 m安裝高度，安裝高度為40 m時的輸出功率和噪聲等級分別增加了87.5%和39.3%。Hosseini SR[4]采用有限體積法研究了INVELOX系統(tǒng)擴散段形狀對其性能的影響，結果表明，擴散段長度與直徑的比值存在最優(yōu)解，隨著這一比值的增加，INVELOX系統(tǒng)的流量先增加后減小。Anbarsooz M[5]采用數(shù)值模擬研究了包含入口面積、文丘里管直徑和漏斗高度等在內的參數(shù)對INVELOX的影響，結果表明，對文丘里管內氣流速度影響最大的是入口面積。Shaterabadi M[6]研究了建筑物裝備INVELOX風力機的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，結果表明，裝備INVELOX風力機后，購電成本和污染物排放分別下降了34.6%和51.2%，而且還可以向電網(wǎng)出售多余電量。吳豫[7]采用數(shù)值模擬方法研究了不同風向條件下INVELOX聚風裝置的氣動性能，針對該裝置風向敏感性問題提出了改造措施，改造后的聚風裝置在任意風向條件下均可以將風能收集并輸送至文丘里管內實現(xiàn)加速，達到了真正意義上的全風向運作目的。文獻[8]針對INVELOX聚風裝置的漏風問題開展了數(shù)值模擬研究，并在擋板下方增加了隔板，結果表明，隔板能夠減輕漏風現(xiàn)象，使文丘里管內的平均風速提升約25%。

雖然INVELOX聚風裝置擁有諸多優(yōu)點，但該裝置尚未得到大規(guī)模發(fā)展，其原因就在于該裝置實際生成的可用風能并不理想。風能與空氣的密度、風輪掃略面積以及來流速度的三次方成正比。由于文丘里管的截面積卻遠小于INVELOX裝置的整體迎風面積，因此盡管文丘里管中的氣流速度幾乎能夠達到來流風速的2倍，但實際可利用的風能依然有限。文獻[8]的改善措施雖然解決了INVELOX裝置的漏風問題，但性能提升幅度較小。

本文基于數(shù)值模擬方法開展INVELOX聚風裝置氣動性能的研究，模擬原始構型的流場分布特性，分析漏風現(xiàn)象的起因，以及由于漏風造成的后果，針對漏風問題提出改善措施，旨在消除漏風現(xiàn)象，并大幅度提升INVELOX聚風裝置的氣動性能。

1 數(shù)值模型

鑒于INVELOX聚風裝置內部流動基本穩(wěn)定且流速很低，故控制方程選用定常不可壓雷諾平均N-S（Navier-Stokes）方程。且模擬中不涉及能量交換，因此僅需求解質量方程及動量方程。

湍流模型選用Realizable k-ε模型，壁面函數(shù)選用增強型壁面函數(shù)，空間離散采用二階迎風格式。取文丘里管內的平均速度作為監(jiān)測數(shù)據(jù)，當該值迭代至不再變化時，認為計算結果趨于收斂。

2 網(wǎng)格及邊界條件

INVELOX聚風裝置的數(shù)值模型同文獻[8]，具體尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 INVELOX聚風裝置尺寸圖Fig.1 Dimensions of INVELOX wind gathering device

本文所采用的計算域及邊界條件如圖2（a）所示，其中Dν為文丘里管的直徑。圖2（b）為對稱面內的網(wǎng)格分布，網(wǎng)格類型為四面體。為準確獲取文丘里管內的速度分布，對文丘里管處的網(wǎng)格進行了適當?shù)募用堋Ｗ钚【W(wǎng)格單元尺度為60mm，網(wǎng)格單元總數(shù)約為379萬。鑒于文獻[7]已經(jīng)探討過風向對INVELOX系統(tǒng)氣動性能的影響，因此本文僅研究裝置出口完全背對來流風條件下（即θ=0）的流場規(guī)律。所有計算工況中入口的速度均為均勻分布，速度絕對值取3，5，6.7，9m/s和12m/s。

圖2 計算域及對稱面內的網(wǎng)格Fig.2 The computational domain and mesh in the symmetric plane

3 模型驗證

為保證計算結果的正確性，須要對數(shù)值模擬的結果進行驗證。在數(shù)值模擬研究中，通常網(wǎng)格越密（網(wǎng)格數(shù)量越大）計算精度越高，但網(wǎng)格過密會導致計算成本過高，因此須要開展網(wǎng)格無關性分析。本文根據(jù)INVELOX聚風裝置原始構型生成了3套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為89萬，184萬和417萬。圖3為風速為6.7m/s時，本文的計算結果與文獻[1]，[5]中的結果的對比曲線。由圖3可知，當網(wǎng)格單元數(shù)超過184萬后，文丘里管內的平均速度基本保持不變。本文的計算結果與文獻[1]，[5]中的結果基本吻合，網(wǎng)格單元數(shù)為184萬時最大相對誤差僅為3.2%。

圖3 數(shù)值模擬結果驗證Fig.3 Validation of the numerical results

采用網(wǎng)格收斂指數(shù)（Grid Convergence Index，GCI）[9]進行網(wǎng)格無關性分析。GCI定義如下：

式中：φ為文丘里管內的平均速度；N為網(wǎng)格數(shù)量；δ為相對誤差；r為網(wǎng)格增長率；e為收斂階。

GCI分析結果見表1。

表1 網(wǎng)格無關性分析Table 1 Grid independence study

由表1可知，GCI的最大值小于0.4%，因此，本文最終選擇網(wǎng)格單元總數(shù)為184萬的中等網(wǎng)格作為后續(xù)模擬任務的計算網(wǎng)格，改進構型的網(wǎng)格疏密程度參照此網(wǎng)格。

4 結果及分析

4.1 原始構型流場分析

借助萬向設計結構，INVELOX聚風裝置可以在任意風向條件下捕獲風能。不過，正因為該裝置的入口四面通風，所以在迎風面收集氣流的同時，會有一部分氣流從背風面逃逸。圖4為來流風速為6.7m/s時，原始INVELOX系統(tǒng)進出、口處的流線及法向速度矢量圖。法向速度矢量圖中的指向裝置內部的箭頭表示流入，指向裝置外部的箭頭表示流出。由圖4可以看出，大部分氣流在迎風面流入INVELOX系統(tǒng)后會從背風面流出，真正收集到文丘里管內驅動風力機發(fā)電的氣流十分有限。

圖4 原始INVELOX系統(tǒng)進出、口流動特性圖Fig.4 Flow characteristics of original INVELOX system at import and export

為了更好地量化INVELOX系統(tǒng)中氣流的流動情況，定義文丘里管內的空氣流量與進入INVELOX系統(tǒng)的總空氣流量之比為流量比，定義文丘里管內的平均氣流速度與來流風速之比為速度比。圖5為不同來流風速條件下原始INVELOX系統(tǒng)流量比與速度比的變化曲線。

圖5 不同風速條件下原始INVELOX系統(tǒng)的流量比和速度比Fig.5 Flow ratio and speed ratio of original INVELOX system under differentwind speed conditions

隨著風速的增加，原始INVELOX系統(tǒng)的流量比與速度比均呈上升趨勢，且兩者的規(guī)律基本一致。壓力差是驅動氣流運動的最直接動力。由于文丘里管直徑較小，且距離進風口較遠，因此氣流從進風口運動到文丘里管所需克服的阻力較大。而裝置的背風面，雖然有上漏斗和擋板阻擋，但由于擋板下方是聯(lián)通的，且背風面和迎風面距離較近，因此氣流無需克服太大阻力便可以流動至背風面，這便是INVELOX系統(tǒng)漏風的主要原因。

另一方面，氣流自進風口流入INVELOX系統(tǒng)后，受擋板和上漏斗的導流影響，流動方向由水平改為向下。隨著風速的增加，氣流動壓增大，一部分原本會從背風面逃逸的空氣憑借自身動能能夠繼續(xù)向下運動至文丘里管中，在推動風力機做功后從出口流出。當來流風速增加時，氣流的動壓隨之增大，靜壓則隨之減小，氣流保持向下運動趨勢的慣性增大。因此，系統(tǒng)的流量比和速度比均會隨著風速的增加而增加。盡管如此，原始INVELOX系統(tǒng)的流量比依然較低，當來流風速等于12m/s時僅為27.29%，也就是說系統(tǒng)收集的風僅有約1/4能夠用于發(fā)電。

圖6為INVELOX聚風裝置與傳統(tǒng)水平軸風力機的對比示意圖。

圖6 INVELOX聚風裝置與傳統(tǒng)水平軸風力機對比Fig.6 The comparison between the INVELOX wind gathering device and traditional horizontalwind turbine

圖中右下角圓圈為文丘里管的截面，左上角圓圈為傳統(tǒng)風力機葉片的掃略范圍，中部上方長方形為INVELOX聚風裝置入口的迎風區(qū)域。左上角圓圈與中部上方長方形所覆蓋的面積相等，代表兩種風力機從環(huán)境中獲取等量的風能。單位時間的風能（功率P）為

式中：ρ為空氣密度；A為風輪掃略面積；V為來流速度。

對于本文所研究的INVELOX聚風裝置，文丘里管的截面積為2.627m2，而傳統(tǒng)水平軸風力機的風輪掃略面積達到了74.322m2，是前者的28.3倍。假設空氣密度為1.225 kg/m3，當來流風速為6.7m/s時，INVELOX系統(tǒng)的加速比為1.56，則文丘里管內風速約為10.45m/s。此時，單位時間內流經(jīng)傳統(tǒng)水平軸風力機的風能為13 691.4 J，流經(jīng)文丘里管的風能為1 836.2 J，風能損失比例高達86.6%?？梢钥闯?，盡管INVELOX聚風裝置能夠加速氣流，但由于漏風以及風機尺寸大幅度縮小，導致實際可用風能非常小，“性價比”較低。

4.2 改進裝置性能

為減輕INVELOX系統(tǒng)的漏風現(xiàn)象同時提升系統(tǒng)的氣動性能，本文對原始INVELOX聚風裝置進氣口進行了適當改進（圖4）。INVELOX原始構型進氣口側面氣流交換很小，且背風面有氣流逃逸，因此本文在原始構型的基礎上將裝置上方進氣口的側面和背風面用聚風罩封閉，如圖7（b）所示。頂部連接對風裝置以保證任何風向下聚風裝置均能正常工作?？紤]到加裝聚風罩后，上漏斗和擋板對系統(tǒng)氣動性能的增益效果會減弱并且會產生額外阻力，因此本文選擇移除上漏斗和擋板。同時，為進一步改善INVELOX裝置的氣動性能，引入先前設計的直筒模型[7]，并將本文對進氣口的改進思路移植到該模型上，如圖7（c）所示。為方便描述，對不同模型進行編號：圖7（a）為原始構型，記為M0；圖7（b）為在M0的基礎上增加聚風罩同時移除上漏斗和擋板，記為M1；圖7（c）為在M1的基礎上將INVELOX裝置下半段改造為直筒模型，記為M2。

圖7本文設計的INVELOX改進模型Fig.7 Improved models of INVELOX proposed in this study

分別模擬這3種模型在風速為3，5，6.7，9m/s和12m/s時的流場，不同模型在不同風速條件下文丘里管內的速度比如圖8所示。

圖8 不同模型的速度比Fig.8 Speed ratios of differentmodels under differentwind speed conditions

由圖8可知：當裝置下半段改為直筒模型后，INVELOX聚風裝置的性能得到了進一步的提升；相較于M0，不同風速條件下M1和M2中文丘里管內速度比平均提升幅度分別為39.6%和77.9%。

同樣假設空氣密度為1.225 kg/m3，以來流風速為6.7m/s的工況為例，3種模型的性能對比如表2所示。表中的裝置輸出功率為單位時間輸送到文丘里管內的風能，風能損失比例為裝置進風口理論風能減去文丘里管內的可用風能后損失的比例。

表2 不同模型性能對比Table 2 Comparison of performance among differentmodels

由表2可知：相較于M0，M1和M2的裝置輸出功率分別提升了1.8倍和4.8倍，能量損失大幅度下降；在加裝了聚風罩后，INVELOX系統(tǒng)的氣動性能得到了明顯的提升。不過，由于M 1中存在彎管，因此裝置的氣動阻力依舊比較大。假設文丘里管內布置的風力機功率系數(shù)不變，則改進后的聚風裝置可以輸出成倍的電能，極大地提升了裝置的經(jīng)濟性和實用性。

圖9，10分別為來流風速為6.7m/s時，不同模型的壓力場和流線分布。

圖9 風速為6.7m/s時，不同模型對稱面內的壓力云圖Fig.9 Contours of pressure at the symmetry plane of differentmodels atwind speed of 6.7m/s

圖10 風速為6.7m/s時，不同模型的流線圖Fig.10 Streamlines of differentmodels atwind speed of 6.7m/s

由圖9可知：對于M0，由于進氣口背風面與外界聯(lián)通，因此裝置內部靠近背風面處的壓力較低，同時，由于下漏斗直徑不斷收縮且存在彎道，因此下漏斗附近的流場壓力較大，在兩處壓力的綜合作用下，已經(jīng)從進氣口迎風面流入裝置內的氣流受擠壓朝背風面運動，故而出現(xiàn)了較為嚴重的漏風現(xiàn)象；對于M 1和M 2，由于進氣口的側面和背風面均處于封閉狀態(tài)，內外氣流無質量及動量交換，因此裝置的上部壓力整體較大，整片區(qū)域均可視為駐點，氣流從進氣口流入聚風裝置后只能向下運動。

圖10能夠更直觀地反映聚風罩對流場的改善。未加裝聚風罩時，INVELOX裝置進氣口背風面存在大量流線，說明漏風現(xiàn)象十分嚴重。受上漏斗和擋板的影響，裝置頂部的流動雜亂無章，因此真正能夠流入文丘里管內并且推動風力機發(fā)電的風量極其有限。上漏斗和擋板的存在壓縮了氣流通道的寬度，因此裝置整體的氣動阻力較大。在加裝聚風罩并移除上漏斗和擋板之后，裝置頂部的氣流運動變得較為順暢。從圖10（b），（c）可以清晰地看到，氣流從上游流入裝置內部后，受聚風罩的阻擋轉而向下運動，裝置內部的流線十分光順，氣流流道也基本與管道內邊界重合。由此可見，INVELOX聚風裝置漏風的本質是進氣口背風面與外界聯(lián)通。加裝聚風罩后，上漏斗和擋板原先的氣流引導作用喪失，反而會增加裝置的整體氣動阻力。新的設計能夠很好地解決漏風問題，并且極大程度提升了聚風裝置的性能。

5 結論

本文基于CFD方法模擬分析了INVELOX聚風裝置的流場特性，著重研究了該裝置存在的漏風問題并提出了改進措施，得到以下結論。

①由于INVELOX聚風裝置的萬向造型，背風面與外界聯(lián)通，在內外壓力的作用下，進入裝置的氣流約有73%從背風面逃逸，存在嚴重的漏風現(xiàn)象。

②在進氣口側面和背面加裝聚風罩可以有效地減少氣流外泄，從而大幅提升聚風裝置的通風量。在加裝聚風罩后，上漏斗和擋板失去存在的意義。相比于原始構型，改進后的模型文丘里管內的平均速度提升了約39.6%，在將裝置下半段替換為直筒模型后，提升幅度達到了77.9%。

③風能與氣流速度的三次方成正比，當來流速度為6.7m/s時，兩種改進模型的輸出功率相比于原始構型的提升幅度達到了1.8倍和4.8倍，風能損失比例由86.6%下降到了62.4%和22.4%，極大地提升了INVELOX聚風裝置的經(jīng)濟性和實用性。