翼型型線改變的三葉片H型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究

郭欣，陳永艷，2，田瑞，2，韓成榮，何為，于磊磊

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2.風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

風(fēng)能是一種清潔能源，大氣中任何時(shí)候都有約1 000萬MW的電力可用，因此，相比其它能源，從風(fēng)資源中可提取的能源有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。風(fēng)力機(jī)按照風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與地面位置的不同又分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)（VAWT），水平軸風(fēng)力機(jī)適合于大型化與大規(guī)?；牟⒕W(wǎng)發(fā)電，而VAWT具有結(jié)構(gòu)簡單、無需對(duì)風(fēng)偏航結(jié)構(gòu)、成本低、噪音小、壽命長、起動(dòng)風(fēng)速低及便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，更適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)牧地區(qū)及內(nèi)陸低風(fēng)速區(qū)。因此，針對(duì)VAWT等中小容量離網(wǎng)型和分布式風(fēng)能利用的新型風(fēng)力機(jī)的研發(fā)也成為了當(dāng)前國際風(fēng)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。但是，相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)而言，VAWT研究時(shí)間較晚，技術(shù)有待完善，還有進(jìn)一步的提升空間[2]。因此，開展VAWT的研究具有重要的意義。

風(fēng)力機(jī)翼型型線的設(shè)計(jì)是影響風(fēng)力機(jī)功率的主要因素之一，針對(duì)翼型型線的設(shè)計(jì)、修改和優(yōu)化的研究主要是在葉片表面應(yīng)用主動(dòng)流或被動(dòng)流技術(shù)。被動(dòng)流技術(shù)包括在葉片表面安裝渦流發(fā)生器或者襟翼等。這種類型的流量控制技術(shù)可以提高葉片升力系數(shù)并增大切向力。王國付通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)DU系列的兩種仿生翼型進(jìn)行了流場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)凹凸前緣對(duì)應(yīng)的凸包截面延緩了流動(dòng)分離，凹谷截面使流動(dòng)分離提前[3]。Linyue Gao使用CFD仿真研究了渦流發(fā)生器（VG）的流動(dòng)物理特性及其尺寸對(duì)DU97-W-300翼型的空氣動(dòng)力性能的影響，發(fā)現(xiàn)VG長度的增加對(duì)升力有負(fù)面影響，相鄰VG間距的增加對(duì)抑制流動(dòng)分離有積極影響[4]。Ion Malael通過研究T型條型雙面格尼襟翼，給NACA0012翼型輪廓提供了一個(gè)新概念，并對(duì)其進(jìn)行修正，提高了翼型的升力系數(shù)[5]。吳正人將脊?fàn)畋砻娌贾糜陔x心機(jī)翼型葉片中部區(qū)域，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)其減阻效果及機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)尺寸的脊?fàn)畋砻婵梢詼p小葉片表面的摩擦阻力及剪切應(yīng)力[6]。

隨著VAWT性能提高研究的開展，迫切需要更多研究進(jìn)一步提高VAWT的風(fēng)能利用率。由于翼型型線改變的整機(jī)模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)研究較少，故本文設(shè)計(jì)了一種波浪型凹槽布置于VAWT翼型外表面前側(cè)，并與布置于后側(cè)的3種凹槽及原始VAWT進(jìn)行比較，采用模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了不同葉尖速比（λ）情況下，VAWT的功率狀況及流場(chǎng)特性的變化規(guī)律。

1 幾何模型及物理模型

1.1 幾何模型

本文采用三葉片直線翼模型，葉片為NACA0012對(duì)稱翼型。在Solidworks中完成翼型幾何輪廓建模，分別于葉片外表面前側(cè)0.1c～0.4c（c為翼型弦長）處和內(nèi)表面后側(cè)0.9c處布置了凹槽結(jié)構(gòu)。針對(duì)凹槽結(jié)構(gòu)尺寸的不同將其分別命名為0.5波浪型、1波浪型、1.5波浪型、Dimple型和Gurney Flap（GF/格尼襟翼）型，具體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、表2。

表1 前側(cè)流線型凹槽翼型尺寸Table 1 Airfoil size of front stream line groove %c

表2后側(cè)3種翼型襟翼尺寸Table 2 Three wing flap sizes on the rear side %c

由文獻(xiàn)[7]確定出后側(cè)典型Dimple型凹槽和格尼襟翼的最佳尺寸，圖1為幾何形狀示意圖。

圖1 NACA0012前后側(cè)凹槽幾何示意圖Fig.1 Schematic diagram of NACA0012 front and rear groove geometry

1.2 湍流模型

CFD的數(shù)值域如圖2所示。

圖2 邊界條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of boundary conditions

圖2中，風(fēng)輪直徑（D）為860 mm，旋轉(zhuǎn)域直徑為2.5D，計(jì)算域長度為40D，寬度為10D，c為210 mm，壁面邊界外流場(chǎng)上、下邊界為無滑移壁面邊界。旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間的交界面采用滑移網(wǎng)格技術(shù)。使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)葉片附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，對(duì)葉片前緣的網(wǎng)格的縱向與橫向加密，Y+取1，對(duì)應(yīng)的首層網(wǎng)格高度為0.002 9 mm。翼型附近及旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格如圖3～5所示。湍流模型選取Transition SST（TSST）湍流模型[8]。使用壓力基瞬態(tài)求解器，采用SIMPLEC算法，使用二階迎風(fēng)格式離散，收斂精度為10-6，時(shí)間步長為1°方位角，迭代次數(shù)為25次，當(dāng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)12圈后提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格Fig.3 Rotating domain grid

圖4 葉片周圍網(wǎng)格Fig.4 Mesh around the blade

圖5 凹槽處網(wǎng)格Fig.5 Grid at the groove

葉片受力和速度矢量情況如圖6所示。

圖6 葉剖面受力關(guān)系圖Fig.6 Force relationship diagram of leaf profile

圖6中:θ，α和φ分別為安裝角、攻角和入流角。氣動(dòng)扭矩Cm、切向力Ft及風(fēng)能利用率Cp皆是衡量垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的重要指標(biāo)。

式中:M為扭矩；P為輸出功率；ρ為空氣密度；As為掃風(fēng)面積；Ct為切向力系數(shù)；H為葉片展長；R為風(fēng)力機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)半徑；n為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；V∞為設(shè)計(jì)所選定的額定風(fēng)速。

2 CFD仿真

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格質(zhì)量的高低和數(shù)量的多少對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和所需計(jì)算時(shí)間有很大的影響，為節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證分析。本文設(shè)計(jì)3種網(wǎng)格方案，劃分3種不同精細(xì)度的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為54萬、80萬和112萬，并在選取范圍內(nèi)的各個(gè)λ情況下進(jìn)行計(jì)算分析（圖7）。

圖7 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.7 Grid independence verification

由圖7可知，網(wǎng)格數(shù)為80萬的Cp值與網(wǎng)格數(shù)為112萬的Cp值偏差較小，且相對(duì)來說更接近試驗(yàn)值，因此選取網(wǎng)格數(shù)為80萬作為最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)是合理的。

第三，交往的不斷發(fā)展和社會(huì)關(guān)系的再生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)實(shí)的人”歷史發(fā)展性的必然要求。交往的發(fā)展和社會(huì)關(guān)系的再生產(chǎn)是內(nèi)在同一的，交往構(gòu)成了社會(huì)關(guān)系的再生產(chǎn)；社會(huì)關(guān)系的再生產(chǎn)又推動(dòng)了人的交往的發(fā)展。二者的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程表征著“現(xiàn)實(shí)的人”的社會(huì)歷史性。

2.2 仿真結(jié)果

風(fēng)力機(jī)通過風(fēng)輪從風(fēng)中獲取動(dòng)力，通過數(shù)值模擬計(jì)算可得到風(fēng)力機(jī)的Cm值。圖8為在10 m/s的風(fēng)速下，4種類型風(fēng)力機(jī)的Cm隨λ變化曲線。由圖8可知:隨著λ的增加，Cm先增大后減?。?種波浪型風(fēng)力機(jī)的Cm較原始風(fēng)力機(jī)均有所提高，其中0.5波浪型風(fēng)力機(jī)和1波浪型風(fēng)力機(jī)除在λ為1.57的工況下外，其余工況下的Cm均比1.5波浪型風(fēng)力機(jī)好；1波浪型風(fēng)力機(jī)和0.5波浪型風(fēng)力機(jī)在高λ工況下的Cm值大致相同，但當(dāng)λ為0.9時(shí)，1波浪型風(fēng)力機(jī)的Cm為0.049 4，比0.5波浪型風(fēng)力機(jī)提高了19.3%。故判斷1波浪型風(fēng)機(jī)效果較好，與原始翼型的VAWT相比，Cm提高了38.5%，在低λ情況下對(duì)風(fēng)力機(jī)有較好的改進(jìn)效果。

圖8 前側(cè)波浪型風(fēng)力機(jī)的C m隨λ的變化曲線Fig.8 The relationship between cm andλof front wave wind turbine

圖9為后側(cè)3種改型風(fēng)力機(jī)的Cm變化曲線。由圖9可知，Dimple型風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)效果在高λ下比較明顯，當(dāng)λ為1.57時(shí)，Cm提高了22.6%。在后側(cè)3種改型中，Dimple型效果最好。

圖9 后側(cè)Dim ples，GF，Dim ple GF風(fēng)力機(jī)的C m隨λ的變化曲線Fig.9 Back Dimples，GF，Dimple GF wind turbine C m change withλ

1波浪型風(fēng)力機(jī)和Dimple型風(fēng)力機(jī)的Cm變化曲線如圖10所示。由圖10可知:在高λ下，Dimple型風(fēng)力機(jī)比原始風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)效果好；在低λ下，1波浪型風(fēng)力機(jī)比原始風(fēng)力機(jī)的改進(jìn)效果好。

圖10 Dim ple及1波浪型風(fēng)力機(jī)的C m隨λ的變化曲線Fig.10 Dimple and 1 wave wind turbine C m changes withλ

2.3 單葉片切向力分析

風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過程中，實(shí)際是葉片的Ft對(duì)中心轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)t可以直觀反映出風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率。當(dāng)λ為0.9時(shí)，F(xiàn)t相對(duì)于θ的波動(dòng)曲線如圖11所示。

圖11 1波浪型及原風(fēng)輪單葉片的F t隨θ的變化Fig.11 1 wave and original wind turbine blade tangential force changes with azimuth angle

由圖11可知:在低λ的情況下，F(xiàn)t會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這是葉片在低λ時(shí)的實(shí)際攻角波動(dòng)范圍較大所造成的；1波浪型風(fēng)力機(jī)單葉片F(xiàn)t的第一次峰值和第二次峰值均增大，而在第二次峰值的增長尤為明顯，從8.5 N增加到11.3 N，比原風(fēng)力機(jī)單葉片提高了32.9%，即1波浪型結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)的積極影響主要體現(xiàn)在葉片在下風(fēng)區(qū)的時(shí)候，表明1波浪型風(fēng)機(jī)在下風(fēng)區(qū)的捕風(fēng)能力增強(qiáng)，下風(fēng)區(qū)Ft的峰值后移，在θ為300°時(shí)達(dá)到峰值。

圖12為λ為0.9，θ為300°時(shí)的速度-流線云圖。由圖12可知，1波浪型葉片的流動(dòng)分離區(qū)縮小，流動(dòng)分離發(fā)生延遲，表明1波浪型凹槽對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)有較好的改善。

圖12 λ為0.9，θ為300°時(shí)的速度云圖和流線圖Fig.12 Velocity cloud diagram and stream line diagram with θ=300 ° underλ=0.9 sharp speed ratio

對(duì)于后側(cè)的3種翼型輪廓的改型風(fēng)力機(jī)，效果較好的是Dimple型風(fēng)力機(jī)，選取λ為1.57的工況對(duì)原風(fēng)力機(jī)及Dimple型風(fēng)力機(jī)單葉片的Ft進(jìn)行分析（圖13）。

圖13 Dim ple型及原風(fēng)輪單葉片的F t隨θ的變化Fig.13 The change of tangential force of single blade of Dimple type and original wind turbine with azimuth angle

由圖13可知，Dimple型風(fēng)力機(jī)在θ為60 °時(shí)，F(xiàn)t達(dá)到峰值，且Dimple型風(fēng)力機(jī)單葉片F(xiàn)t在風(fēng)輪的上游區(qū)有明顯的增大，較原風(fēng)力機(jī)增加了20.2%。

圖14為λ為1.57，θ為60 °時(shí)的速度-流線云圖。

圖14 λ為1.57，θ為60°時(shí)的速度云圖和流線圖Fig.14 Velocity cloud diagram and stream line diagram ofθ=60 ° atλ=1.57 tip speed ratio

由圖14可知:原始風(fēng)力機(jī)在θ為60°時(shí)，葉片的攻角較大，前駐點(diǎn)后移，氣流從葉片上表面繞過后緣，和葉片內(nèi)表面向尾緣流動(dòng)的氣流匯合，造成葉片內(nèi)表面氣流頂著逆壓梯度，向后流動(dòng)困難，隨著氣流減速嚴(yán)重，葉片內(nèi)表面的邊界層增厚，形成湍流；Dimple結(jié)構(gòu)減緩了氣流從葉片上表面流經(jīng)下表面的速度，從而減緩了流動(dòng)分離的程度。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置與方法

要使風(fēng)力機(jī)的模型與原型處于相同的流動(dòng)條件，就要使它們的特征參數(shù)相同，因此模型與原型具有相同的λ，模型的葉片所使用的翼型與原型相同，并且二者的葉片數(shù)量相等，風(fēng)力機(jī)模型的翼弦長、半徑以及翼梁等均為原型按1:1的比例變化而來。盡可能地將試驗(yàn)和模擬參數(shù)相一致，使得到的試驗(yàn)結(jié)果更為合理準(zhǔn)確。

本試驗(yàn)所使用的是內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的B1/K2直系式風(fēng)洞，采用加工制作好的NACA0012原始翼型葉片及帶有1波浪型凹槽的NACA0012葉片和Dimple型凹槽的NACA0012葉片，共3副葉片。

在來流風(fēng)速為10 m/s的條件下，測(cè)試不同工況下的風(fēng)力機(jī)功率。圖15為3種風(fēng)力機(jī)的λ-Cp試驗(yàn)值曲線圖。圖16為3種風(fēng)力機(jī)的λ-Cp模擬值曲線圖。表3為試驗(yàn)Cp值和模擬Cp值的誤差分析。

圖15 風(fēng)速為10 m/s時(shí)3種風(fēng)力機(jī)的λ-C p試驗(yàn)值Fig.15 10 m/s wind turbines with three kinds ofλ-C p experiment figure

圖16 風(fēng)速為10 m/s時(shí)3種風(fēng)力機(jī)的λ-C p模擬值Fig.16 10 m/s wind turbines with three kinds ofλ-C p simulation figure

表3 試驗(yàn)?zāi)M誤差分析Table 3 The analysis of experimental simulation error %

由圖15可知:與原風(fēng)輪相比，Dimple型凹槽和1波浪型凹槽的Cp值均有所提高；當(dāng)λ為0.9時(shí)，1波浪型風(fēng)力機(jī)的Cp提高了13.76%，但Dimple型風(fēng)力機(jī)的Cp降低了5.72%；當(dāng)1.35≤λ≤1.57時(shí)，Dimple型風(fēng)力機(jī)的Cp值開始超過同等情況的1波浪型風(fēng)力機(jī)；當(dāng)λ=1.57時(shí)，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率最大，此時(shí)Dimple型風(fēng)力機(jī)的Cp提高了14.6%。因此，在低λ情況下，1波浪型風(fēng)力機(jī)可以提高風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)能力，在較高的λ情況下，Dimple型風(fēng)力機(jī)對(duì)Cp的提高較為顯著。

4 結(jié)論

本文對(duì)小型三葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片翼型型線進(jìn)行了修改，采用模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)型線改變后的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行計(jì)算測(cè)量和分析，得到以下結(jié)論。

①前側(cè)和后側(cè)的改型均對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性有所提高，前側(cè)效果最好的是1波浪型風(fēng)力機(jī)，后側(cè)效果最好的是Dimple型風(fēng)力機(jī)。

②1波浪型風(fēng)力機(jī)在低λ下可以顯著提升風(fēng)力機(jī)的Cm，當(dāng)λ為0.9時(shí)，與原始翼型的垂直軸風(fēng)力機(jī)相比，Cm提高了38.5%，其單葉片切向力在下風(fēng)區(qū)峰值明顯提高，切向力提高了約32.9%。

③Dimple型風(fēng)力機(jī)在高λ下可以顯著提升風(fēng)力機(jī)的Cm，當(dāng)λ為1.57時(shí)，較原始風(fēng)力機(jī)的Cm提高了22.6%，其葉片切向力在上風(fēng)區(qū)的峰值最高提升了20.2%。

④1波浪型風(fēng)力機(jī)和Dimple型風(fēng)力機(jī)均對(duì)延遲流動(dòng)分離有較好的效果，可改善動(dòng)態(tài)失速特性。