全向?qū)~對垂直軸風(fēng)力機(jī)流場的影響

黃惠蘭，湯 維，李 剛，劉 卉

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

垂直軸風(fēng)力機(jī)（VAWT）可分為阻力型和升力型兩種，前者自啟動(dòng)性好但功率系數(shù)較低，后者功率系數(shù)較高且具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢［1］。然而，相比于水平軸風(fēng)力機(jī)，升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)存在低性能、自啟動(dòng)性差等缺點(diǎn)，因此，研究者提出一種稱為全向?qū)~的裝置用于提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能［2］，該裝置保留了垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受360°來流風(fēng)的優(yōu)勢并且改變風(fēng)場，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)性能產(chǎn)生較大變化。導(dǎo)葉的葉片多數(shù)為直板型，也有圓弧形狀的導(dǎo)葉［3-4］。各種類型的導(dǎo)葉對垂直軸風(fēng)力機(jī)影響的研究，多數(shù)是分析導(dǎo)葉裝置對風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的影響［5-7］，較少考慮到導(dǎo)葉使風(fēng)力機(jī)工作流場產(chǎn)生的變化。流場情況有助于揭示風(fēng)力機(jī)性能變化的內(nèi)部機(jī)理以及風(fēng)力機(jī)的較佳安裝位置，鑒于此，這里進(jìn)行導(dǎo)葉對垂直風(fēng)力機(jī)流場的影響研究。

選取彎曲型和平板型兩種代表性的全向?qū)~，這里稱為導(dǎo)葉1，導(dǎo)葉2，如圖1所示。應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行二維數(shù)值模擬，分析兩種導(dǎo)葉對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)流場及性能的影響，以期為帶全向?qū)~的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)性能變化及風(fēng)場設(shè)計(jì)提供參考。

2 建立數(shù)值模型

圖1中，兩種全向?qū)~均由8個(gè)葉片構(gòu)成，二維模擬時(shí)對風(fēng)輪及導(dǎo)葉進(jìn)行簡化，不考慮導(dǎo)葉厚度因素，導(dǎo)葉部分尺寸，如圖1所示。文獻(xiàn)［8］實(shí)驗(yàn)條件，采用NACA0021翼型的H型3葉片垂直葉片，葉輪半徑1m，葉片長度1.2m，弦長0.265m，來流風(fēng)8m∕s。

圖1 兩種全向?qū)~Fig.1 Two Omni-Direction-Guide-Vanes

設(shè)置計(jì)算域，如圖2 所示。D為葉輪旋轉(zhuǎn)直徑，入口距旋轉(zhuǎn)中心10D，出口距旋轉(zhuǎn)中心15D，上下壁面間距離20D，相對旋轉(zhuǎn)中心對稱分布，忽略葉片支撐結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)軸，不考慮葉片尖端的渦量損失。

圖2 計(jì)算域Fig.2 Computational Domain

為了便于設(shè)置邊界層網(wǎng)格，在葉片表面采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，其余部分則為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。設(shè)置均勻來流，速度入口8m∕s，壓力出口，上下邊界為對稱壁面；采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，靜止域和旋轉(zhuǎn)域交界處設(shè)置為滑移邊界，如圖2所示。葉片表面為無滑移壁面，每個(gè)時(shí)間步旋轉(zhuǎn)0.25 °，計(jì)算25個(gè)周期。采用SIMPLE算法，二階差分，使用k-ωSST和k-ε湍流模型進(jìn)行求解。

3 基本理論與湍流模型的選擇

3.1 基本理論

采用二維數(shù)值模擬，有動(dòng)量方程：

連續(xù)性方程：

式中：P—壓力；U—速度；δu、δ—源項(xiàng)。

3.2 湍流模型的選擇

風(fēng)力機(jī)的模擬中，常用k-ω 以及k-ε兩種湍流模型，基于文獻(xiàn)［8］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較功率系數(shù)Cp，選擇計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相近的湍流模型為后續(xù)的模擬分析用。參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定不同工況，分別選取尖速比為0.8，1.2，1.6，2.0，2.4，2.8，3.2，3.5八個(gè)不同工況進(jìn)行仿真求解。比較k-ωSST、k-ε RNG、k-ε Realizable 、k-ε Standard四個(gè)湍流模型，計(jì)算的功率系數(shù)Cp隨著尖速比的變化，如圖3所示。由圖3可知，k-ε Realizable 模型與實(shí)驗(yàn)值相近，模擬忽略了葉片支撐結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)，二維模擬中也不考慮沿葉片展向的葉尖損失，所以模擬值大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這與文獻(xiàn)［9-10］無導(dǎo)葉的模擬結(jié)果相符合，確定了位于旋轉(zhuǎn)區(qū)域的數(shù)值模型。

圖3 功率系數(shù)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值Fig.3 Comparison of CPBetween Experiment and Simulation

4 導(dǎo)葉對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響

4.1 導(dǎo)葉式H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)Cp

考察尖速比變化時(shí)，不同的導(dǎo)葉對垂直軸風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)葉對功率系數(shù)的影響Fig.4 Influence of Guide Vane on Power Factor

從圖4可看出，當(dāng)尖速比小于1.8時(shí)，導(dǎo)葉2風(fēng)力機(jī)的Cp高于導(dǎo)葉1；當(dāng)尖速比大于1.8時(shí)，導(dǎo)葉1的Cp明顯大于導(dǎo)葉2的風(fēng)力機(jī)，其最大值為0.453，比無導(dǎo)葉的最大值顯著提高，此時(shí)對應(yīng)的最佳尖速比增大為2.7，導(dǎo)葉2使最佳尖速比的變化較小。由于導(dǎo)葉型的風(fēng)力機(jī)實(shí)際迎風(fēng)面積發(fā)生改變，目前沒有關(guān)于帶導(dǎo)葉風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積的定義，計(jì)算功率系數(shù)仍采用垂直軸風(fēng)力機(jī)的迎風(fēng)面積，所以出現(xiàn)了功率系數(shù)接近0.5的現(xiàn)象。因?yàn)閷?shí)度影響垂直軸風(fēng)力機(jī)的最佳尖速比，考慮到添加導(dǎo)葉后，改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)度，從而影響其最佳尖速比。

低尖速比時(shí)葉片力矩波動(dòng)較大，考察尖速比為2 的力矩情況，一個(gè)周期內(nèi)的力矩變化，如圖5所示。在一個(gè)周期內(nèi)，力矩呈現(xiàn)三個(gè)波峰波谷，與三葉片風(fēng)力機(jī)的特性一致，導(dǎo)葉使力矩曲線變得復(fù)雜，增加3個(gè)局部波動(dòng)。全向?qū)~對流場的干擾作用導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的力矩曲線的波峰提高、波谷降低、曲線有波動(dòng)變化。其中導(dǎo)葉1的平均力矩高于導(dǎo)葉2和無導(dǎo)葉的，所以尖速比為2時(shí)，導(dǎo)葉1風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)最大，如圖4所示。這是因?yàn)樘砑訉?dǎo)葉使得風(fēng)力機(jī)的流場產(chǎn)生變化，此時(shí)，葉片表面的來流風(fēng)速度變大，來流風(fēng)方向改變，葉片表面分力產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致葉片力矩改變。

圖5 尖速比為2時(shí)添加兩種導(dǎo)葉后的力矩Fig.5 Torque for Two Kinds of ODGV when Tip Speed Ratio is 2

4.2 導(dǎo)葉式風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場分布

為分析導(dǎo)葉產(chǎn)生的影響，對導(dǎo)葉式風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。尖速比為2時(shí)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的速度矢量圖和壓力云圖，如圖6、圖7所示。圖6中，旋轉(zhuǎn)區(qū)域里，在其上方的那一對導(dǎo)葉末端空氣流速均增大。空氣流動(dòng)方向改變，導(dǎo)致葉片的幾何攻角變化，葉片的力矩發(fā)生波動(dòng)，影響風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)，與圖5相符。導(dǎo)葉2的空氣流動(dòng)形成漩渦，使葉片受到負(fù)力矩，其Cp低于無導(dǎo)葉的。圖7中，旋轉(zhuǎn)區(qū)域壓力分布變化明顯，原因是導(dǎo)葉對來流空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)葉附近壓力明顯增大，整個(gè)旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的最低壓力也較無導(dǎo)葉時(shí)降低。

圖6 尖速比為2時(shí)兩種導(dǎo)葉的速度矢量圖Fig.6 Speed Vector for Two Kinds of ODGV when the Tip Speed Ratio is 2

圖7 尖速比為2時(shí)兩種導(dǎo)葉的壓力云圖Fig.7 Pressure Cloud Diagram for Two Kinds of ODGV when Tip Speed Ratio is 2

4.3 導(dǎo)葉對尾流分布的影響

通過分析風(fēng)力機(jī)的尾流分布，可確定多風(fēng)力機(jī)合適的距離位置，有利于風(fēng)力機(jī)性能的發(fā)揮。尖速比為2時(shí)，相對速度在不同X截面處沿Y軸的變化，如圖8所示。其中，d為X方向上距離旋轉(zhuǎn)中心的距離，r為風(fēng)輪半徑，y為Y軸方向到旋轉(zhuǎn)中心距離，u為d處風(fēng)速，v∞為來流風(fēng)速，取d=0.5D、4.5D和9.5D處分析，在d=0.5D處尾流還未充分?jǐn)U散，各尾流曲線相似，隨著距離的增大，速度擴(kuò)散區(qū)域有差別，d=9.5D區(qū)分明顯。

圖8 尖速比為2時(shí)的尾流分布Fig.8 Wake Distribution when the Tip Speed Ratio is 2

帶導(dǎo)葉的風(fēng)力機(jī)上下兩側(cè)風(fēng)速高于來流風(fēng)速，葉片表面漩渦脫落以及空氣橫向流動(dòng)運(yùn)輸使尾流曲線呈非對稱性，并加劇葉片表面漩渦脫落程度。兩種導(dǎo)葉均擴(kuò)大尾流場區(qū)域，原因是導(dǎo)葉加劇了下風(fēng)輪區(qū)和上風(fēng)輪區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流作用。導(dǎo)葉1的尾流場區(qū)域大于導(dǎo)葉2。圖8中，觀察尾流場中風(fēng)速恢復(fù)情況，導(dǎo)葉2尾流場的速度恢復(fù)較快，d=9.5D明顯；導(dǎo)葉1尾流場速度恢復(fù)緩慢，與其功率系數(shù)高的結(jié)果相互印證。

5 小結(jié)

以H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的兩種全向?qū)~為對象，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對流場進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明：

（1）垂直軸風(fēng)力機(jī)對全向?qū)~的類型敏感，當(dāng)尖速比低于1.8時(shí)，導(dǎo)葉2風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)高于導(dǎo)葉1；當(dāng)尖速比大于1.8時(shí)，導(dǎo)葉1的功率系數(shù)最大值為0.453，高于導(dǎo)葉2及無導(dǎo)葉，最佳尖速比增大為2.7；（2）全向?qū)~對旋轉(zhuǎn)區(qū)域流場擾動(dòng)較大，使得風(fēng)力機(jī)的力矩曲線發(fā)生多變情況，力矩曲線出現(xiàn)局部波動(dòng)；（3）導(dǎo)葉加劇了下風(fēng)輪區(qū)域和上風(fēng)輪區(qū)域之間的湍流相互作用，速度尾流場區(qū)域增大，導(dǎo)葉1的影響比導(dǎo)葉2大，導(dǎo)葉2速度尾流場恢復(fù)速度快于導(dǎo)葉1。研究結(jié)果可為垂直軸風(fēng)力機(jī)流場設(shè)計(jì)提供參考。