雙葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在不同相位角下葉片速度的分布特性

摘 要：直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的氣動特性一直是其研究的難題，葉輪旋轉(zhuǎn)過程中葉片速度的分布特性使其難點之一。文章將采用Fluent軟件對雙葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機在不同相位角下的葉片速度進(jìn)行分析，為了簡化模型減少計算量，采用二維模型進(jìn)行計算。經(jīng)分析得到，風(fēng)輪流場進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，葉片周圍流場呈現(xiàn)周期性分布，葉片相位角轉(zhuǎn)到45°時開始在葉片后緣產(chǎn)生氣流分離，產(chǎn)生輕失速。當(dāng)相位角為90°時葉片表面的氣流嚴(yán)重分離，后駐點已經(jīng)到達(dá)葉片前緣1/3處，產(chǎn)生了深度失速。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機；氣動特性；Fluent

前言

伴隨全球能源危機的爆發(fā)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電越來越受到各國政府的重視，促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機的快速發(fā)展。目前，風(fēng)力發(fā)電機主要分為兩類，一類是發(fā)展相對比較成熟的水平軸風(fēng)力發(fā)電機，另一類是發(fā)展相對不成熟的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的上流場對下流場的影響和葉片功角的不斷變化，使得其流場非常復(fù)雜，這使得發(fā)展最早的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機卻沒有水平軸風(fēng)力發(fā)電機研究的成熟。伴隨計算機的迅速發(fā)展，計算流體力學(xué)得到飛速發(fā)展，研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機流場特性成為可能。因此，文章將利用Fluent針對雙葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的流場進(jìn)行有限元分析，為研究人員提供參考[1]。

1 直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的模型建立

如果采用三維模型進(jìn)行分析，風(fēng)機的網(wǎng)格數(shù)量將達(dá)到三百萬以上，對于四核處理器的電腦將計算兩天多，而采用二維模型計算，網(wǎng)格數(shù)量將大大降低到十萬網(wǎng)格。其中葉輪旋轉(zhuǎn)直徑為D=2m，葉片翼型編號為NACA0021，弦長為c=265mm。如圖1為風(fēng)機葉輪劃分網(wǎng)格后的二維有限元模型。

邊界條件采用速度入口且入口速度為8m/s；出口采用壓力出口，且其出口壓力值采用默認(rèn)的壓力值0Pa；計算域邊界區(qū)域采用對稱邊界條件；計算域采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，將其分為旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū)，旋轉(zhuǎn)區(qū)與靜止區(qū)交界采用interface邊界條件，其它采用默認(rèn)邊界條件Wall。

2 ANSY Fluent12.0的仿真分析

此仿真計算采用定常數(shù)無壓縮粘性流進(jìn)行數(shù)值計算，由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生深度失速現(xiàn)象。因此，仿真采用湍流模型進(jìn)行計算，模型采用k-ω SST。采用基于壓力隱式Couple算法進(jìn)行求解，并利用二階迎風(fēng)差分格式離散。將計算時間步長設(shè)置為360步，由此設(shè)定風(fēng)機每轉(zhuǎn)動5°計算一次，其計算結(jié)果如圖2所示，當(dāng)相位角為0°時，氣流附著在葉片表面流動，此時葉片沒有產(chǎn)生失速現(xiàn)象，有利于葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，即有利于葉片吸收風(fēng)能。當(dāng)葉片相位角為90°時，葉片上表面分離氣流已經(jīng)前移到前緣，基本覆蓋整個葉片上表面，此時葉片處于深度失速狀態(tài)。當(dāng)葉片相位角為180°時，葉片表面氣流為附著流動，此時葉片表現(xiàn)最大流速產(chǎn)生在葉尾處，這是由于葉片的運動方向與氣流方向相同。當(dāng)葉片相位角為270°時，葉片表現(xiàn)氣流再次產(chǎn)生分離現(xiàn)象，此時葉片上表面的氣流分離比葉片相位角為90°時的分離更加靠近葉片前緣，分離效果更加嚴(yán)重，這是因為上流場對下流場的影響的結(jié)果。

3 結(jié)束語

由上述分析和論述可以得到以下兩個結(jié)論：

（1）葉片相位角轉(zhuǎn)到45°時開始在葉片后緣產(chǎn)生氣流分離，產(chǎn)生輕失速。當(dāng)相位角為90°時葉片表面的氣流嚴(yán)重分離，后駐點已經(jīng)到達(dá)葉片前緣1/3處，產(chǎn)生了深度失速。

（2）當(dāng)氣流穩(wěn)定時，葉片表面的流速呈現(xiàn)周期性變化。

參考文獻(xiàn)

[1]惠萬馨.垂直軸風(fēng)力機三維氣動性能的數(shù)值模擬及分析[J].現(xiàn)代電力，2013（1）.