濃縮風(fēng)能裝置擴(kuò)散管流場模擬驗證及其凸緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

林俊杰，田　德，陳　靜，王偉龍，鄧　英

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濃縮風(fēng)能裝置擴(kuò)散管流場模擬驗證及其凸緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

林俊杰，田德※，陳靜，王偉龍，鄧英

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

濃縮風(fēng)能裝置的擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)直接影響濃縮風(fēng)能型風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。為提高濃縮風(fēng)能裝置的濃縮效率，以濃縮風(fēng)能裝置為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，研究擴(kuò)散管凸緣的幾何參數(shù)對濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場特性的影響規(guī)律；并通過試驗驗證數(shù)值模擬的可靠性。結(jié)果表明：擴(kuò)散管凸緣結(jié)構(gòu)能夠明顯提高濃縮風(fēng)能裝置對自然風(fēng)的加速作用和風(fēng)能利用率；且裝置內(nèi)部流場的流速和風(fēng)輪掃掠面積上的可利用風(fēng)能隨著凸緣高度的增加而增大。綜合分析可得，帶有為450 mm、凸緣角度為+9°的擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置模型流場流速和可利用風(fēng)能較高；與原始模型相比，其內(nèi)部流場最大流速提高了30.738%，可利用風(fēng)能提高了84.26%，是所研究模型中流場性能較佳的濃縮風(fēng)能裝置結(jié)構(gòu)。

風(fēng)能；流場；數(shù)值模擬；濃縮風(fēng)能裝置；擴(kuò)散管；凸緣

0 引 言

濃縮風(fēng)能裝置是濃縮風(fēng)能型風(fēng)電機(jī)組[1-8]的核心部件，而擴(kuò)散管凸緣能夠增強(qiáng)濃縮風(fēng)能裝置的抽吸作用，提高濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場的流體流速，同時降低裝置內(nèi)部的風(fēng)能波動性，提高機(jī)組的風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量。

為提高濃縮風(fēng)能型風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率、降低機(jī)組發(fā)電成本，許多國內(nèi)外研究人員對濃縮風(fēng)能裝置結(jié)構(gòu)及流場性能進(jìn)行了研究[9-17]。Takagi等[18]通過模擬研究表明擴(kuò)散管對風(fēng)電機(jī)組的輸出功率具有一定的提高作用，且擴(kuò)散管內(nèi)流體流速的大小取決于擴(kuò)散管的形狀。Jafari等[19]通過研究不同形狀的擴(kuò)散管模型得出：擴(kuò)散管面積比的提高能夠大幅度降低內(nèi)部流場壓強(qiáng)，提高質(zhì)量流量；Kosasih等[20]則對比研究了入流湍流度對普通型和帶有擴(kuò)散管的小型風(fēng)電機(jī)組性能的影響；Ohya等[21]對帶有凸緣擴(kuò)散管優(yōu)化結(jié)構(gòu)的小型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了風(fēng)洞試驗與現(xiàn)場測試研究，表明其輸出功率比普通型風(fēng)電機(jī)組提高了4~5倍；田德等[22]應(yīng)用數(shù)值模擬方法對濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場性能進(jìn)行模擬研究，得出了濃縮風(fēng)能裝置的收縮段、中央圓筒和擴(kuò)散段的尺寸參數(shù)變化對內(nèi)部流場特性的影響規(guī)律，為濃縮風(fēng)能裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

為了研究擴(kuò)散管凸緣結(jié)構(gòu)對濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場性能的影響規(guī)律，在具有風(fēng)切變的來流條件下，對擴(kuò)散管凸緣幾何參數(shù)不同的濃縮風(fēng)能裝置（不安裝風(fēng)輪）的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 濃縮風(fēng)能理論

在單位時間（1 s）內(nèi)流過風(fēng)輪的空氣所具有的風(fēng)能為

式中為單位時間內(nèi)流過風(fēng)輪的空氣所具有的風(fēng)能，J；為空氣密度，kg/m3；為風(fēng)輪掃掠面積，m2；為風(fēng)速，m/s。

根據(jù)式（1），濃縮風(fēng)能理論[23]可這樣描述：在不消耗其他能源的情況下，使自然風(fēng)速增大為倍，則風(fēng)能將增加為3倍。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 建立幾何模型

濃縮風(fēng)能裝置幾何模型以200 W風(fēng)電機(jī)組模型為原型，具體選用參數(shù)為：增壓板最大截面直徑為1535 mm；收縮管直徑由1272 mm變化到900 mm；中央圓筒直徑為900 mm；擴(kuò)散管直徑由900 mm變化到1272 mm；收縮角為90°，擴(kuò)散角為60°。幾何模型如圖1所示。

2.2 確定計算域與網(wǎng)格劃分

為減少計算流域邊界對模擬結(jié)果的影響，同時考慮計算設(shè)備配置條件，建立長25 m、直徑6 m的圓柱體區(qū)域作為計算域，計算域的長度和直徑分別是濃縮風(fēng)能裝置模型長度的27.4倍、最大截面直徑的3.9倍；且濃縮風(fēng)能裝置模型中心軸與圓柱體流域中心軸重合，入口與流體場區(qū)域入口間距為2.5 m[24]。

注：Φ為幾何模型的截面直徑，mm。

在研究過程中，采用四面體/混合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進(jìn)行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部的網(wǎng)格劃分較密。在風(fēng)速為10 m/s的平均來流條件下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，得到的流速與網(wǎng)格數(shù)之間的變化關(guān)系如圖2所示。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，同時考慮劃分網(wǎng)格設(shè)備配置和計算時間，確定劃分網(wǎng)格尺寸得到計算域網(wǎng)格模型，計算域網(wǎng)格總數(shù)為7.27×106，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)對應(yīng)的流體最大流速

圖3 濃縮風(fēng)能裝置網(wǎng)格模型

2.3 流場模擬條件設(shè)置

模擬過程中的流場流體介質(zhì)為空氣，密度為1.153 kg/m3[24]。

2.3.1 物理、數(shù)學(xué)模型

研究過程中忽略濃縮風(fēng)能裝置的壁面厚度和熱量傳遞，將物理模型簡化為非傳熱穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體問題；數(shù)學(xué)模型則簡化為連續(xù)性方程、Navier-stokes方程。

離散格式：二階迎風(fēng)格式。

壓力-速度耦合：SIMPLE算法。

2.3.2 湍流模型

濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部的流體流動屬于壁面約束流動，存在邊界層分離，而SST-湍流模型（剪切應(yīng)力輸運(yùn)-湍流模型）在近壁面區(qū)域的計算精度與算法穩(wěn)定性較高[25-27]；且該湍流模型已在其他濃縮風(fēng)能裝置研究和風(fēng)洞試驗中得到充分應(yīng)用，并驗證了其計算結(jié)果的可靠性[28-29]。因此選用SST-湍流模型。

計算過程中使用能量方程，考慮熱交換，

2.3.3 邊界條件設(shè)置

由于將空氣視為不可壓縮流體，計算域邊界條件設(shè)置為速度入口、壓力出口，其他邊界采用固定、無滑移的壁面條件。

2.4 濃縮風(fēng)能裝置擴(kuò)散管凸緣模型

為提高濃縮風(fēng)能裝置的風(fēng)能濃縮效率，優(yōu)化濃縮風(fēng)能裝置流場性能，在原始濃縮風(fēng)能裝置（圖1）的基礎(chǔ)上增設(shè)擴(kuò)散管凸緣，帶有擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置幾何模型（簡稱擴(kuò)散管凸緣模型）如圖4所示，運(yùn)用CFD軟件對擴(kuò)散管凸緣高度由90 mm變化到450 mm、凸緣角度由?15°變化到+15°的各結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，研究擴(kuò)散管凸緣幾何參數(shù)對濃縮風(fēng)能裝置流場性能的影響。

注：α為擴(kuò)散管凸緣角度，(°)；L為擴(kuò)散管凸緣高度，mm。

3 模型驗證

3.1 風(fēng)洞試驗內(nèi)容與測試儀器

通過風(fēng)洞試驗研究分析所建濃縮風(fēng)能裝置模型的可靠性[24]。利用皮托管和多通道壓力計分別測試濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)不同測試點處的總壓（P）和靜壓（P），通過電腦控制多通道壓力計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析得出濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場的流速變化規(guī)律。

測試儀器：皮托管、大氣壓計、溫度計、多通道壓力計和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電腦及配備的采集數(shù)據(jù)軟件組成測試系統(tǒng)。風(fēng)洞試驗測試系統(tǒng)圖如圖5所示。

3.2 試驗方法

首先進(jìn)行風(fēng)洞流場測試，選擇一個合適的流場，在其內(nèi)部固定濃縮風(fēng)能裝置模型，使模型的中心線位于風(fēng)洞中心軸斷面，多通道壓力計和電腦等放置在控制室內(nèi)并安裝完畢；測試時標(biāo)稱風(fēng)速取10 m/s，即試驗過程中工作段入口附近截面中心的風(fēng)速為10 m/s。風(fēng)洞試驗中的測試點分布如圖6所示。

圖5 風(fēng)洞試驗測試系統(tǒng)圖

注：Ⅰ~Ⅷ為測試截面位置編號，1~6為每一測試截面上的測試點位置編號。

啟動鼓風(fēng)機(jī)，將其轉(zhuǎn)速調(diào)試到之前流場測試時的頻率，待流場穩(wěn)定后，利用電腦控制多通道壓力計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)與在來流風(fēng)速為10 m/s的模擬流場中計算得到的結(jié)果，可得8個測試截面上測試點流速沿徑向分布如圖7所示。

由圖7可知，濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)8個截面上測試點流速的模擬計算結(jié)果大于試驗所得數(shù)據(jù)，但流速沿徑向變化的總體趨勢基本相同；而測試截面I、VII和VIII上的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果差異較大，這是因為在風(fēng)洞試驗過程中濃縮風(fēng)能裝置的進(jìn)口和出口處流體流動過程復(fù)雜，而模擬模型與試驗?zāi)Ｐ拖啾龋b置各部分之間均為光滑過渡連接，較為理想簡化，使得流場內(nèi)流體的流動情況無法在數(shù)值模擬中完整地體現(xiàn)出來；同時也存在現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)測量、采集設(shè)備精度誤差。

風(fēng)洞試驗過程中測得溫度為?1 ℃，變化范圍小于1 ℃。數(shù)據(jù)處理時取平均溫度?1 ℃，平均大氣壓90 000 Pa，計算得統(tǒng)一空氣密度為1.153 kg/m3。由溫度變化引起的流體密度相對誤差為?0.18%～0.18%，用統(tǒng)一空氣密度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到的流體流速相對誤差為?0.09%～0.09%[24]。

圖7 模型內(nèi)8個截面上測試點流速的徑向分布

模擬計算過程中建立的計算域長度是濃縮風(fēng)能裝置模型長度的27.4倍，直徑是裝置模型最大截面直徑的3.9倍，能夠減少計算邊界對計算結(jié)果的影響，并保證出口邊界處流體不產(chǎn)生回流；在網(wǎng)格劃分過程中對計算域進(jìn)行分區(qū)域劃分，并通過網(wǎng)格無關(guān)性分析確定了適合的網(wǎng)格模型，保證了計算結(jié)果精度[22,24]；所采用的湍流模型SST-模型較為適用于壁面約束流動。Costin Ioan Co?oiu等[30]通過風(fēng)洞試驗驗證了該種湍流模型用于濃縮風(fēng)能裝置周圍的流場模擬研究準(zhǔn)確度較高。

因此，數(shù)值模擬計算中所建立的濃縮風(fēng)能裝置模型能夠保證模擬計算結(jié)果的可靠性，濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場模擬結(jié)果是可靠的。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 擴(kuò)散管凸緣對流場流速的影響

由圖8可知，帶有擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置模型內(nèi)部流場的最大流速和沿軸最大流速矢量值均比原始模型有所提高；且擴(kuò)散管凸緣模型內(nèi)部流場的流速隨凸緣高度的增加而增大，其中擴(kuò)散管凸緣為450 mm、為?9°和+15°的濃縮風(fēng)能裝置模型內(nèi)部流場流速較高：為450 mm、為?9°的模型內(nèi)部流場最大流速為46.81 m/s，沿軸最大流速矢量值達(dá)到了45.62 m/s，分別比原始模型提高了33.943%和33.509%；為450 mm、為+15°的模型內(nèi)部流場最大流速為46.79 m/s，沿軸流速矢量值達(dá)到了45.79 m/s，比原始模型分別提高了33.915%和34.006%。

擴(kuò)散管凸緣分別為90、150、210、270、330、390和450 mm的模型內(nèi)部流場流速隨的變化趨勢如圖8所示。

圖8 擴(kuò)散管凸緣模型內(nèi)部流場流速隨α的變化

由圖8可知，擴(kuò)散管凸緣為90和150 mm時，濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場的最大流速和沿軸最大流速矢量值均在為?6°時相對較大；而當(dāng)為210、270和390 mm時，為+9°的濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流體流速較大；為330 mm時，為?15°、?3°和+9°的模型內(nèi)部流場的流體流速值較大，且與為450 mm相同的模型流速值相近，由圖5b可知，為330 mm、為?3°的模型內(nèi)部流場沿軸最大流速值（44.80 m/s）大于為450 mm、為?3°模型（44.43 m/s）；當(dāng)為450 mm時，流速較大值則出現(xiàn)在為?9°和+15°的模型結(jié)構(gòu)中，其次是為?15°、?3°、+9°的模型內(nèi)部流場流速較高。

通過分析帶有不同幾何參數(shù)的擴(kuò)散管凸緣模型內(nèi)部流場流體流速的模擬結(jié)果可得：擴(kuò)散管凸緣模型內(nèi)部流場的流速隨的增加而增大；對于不同的擴(kuò)散管凸緣，為+9°的濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場流體的最大流速和沿軸最大流速矢量值較高，其中為450 mm的模型內(nèi)部流場流速值較高，最大合流速和沿軸最大流速矢量值分別為45.68和44.64 m/s，比原始模型分別提高了30.738%和30.641%。

4.2 擴(kuò)散管凸緣對機(jī)組可利用風(fēng)能的影響

單位時間（1 s）內(nèi)風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)輪掃掠面積上的可利用風(fēng)能可由式（1）計算得到。通過擬合濃縮風(fēng)能裝置風(fēng)輪安裝平面上流體流速在徑向上的變化曲線得出流速隨豎直高度變化的函數(shù)()，利用式（1）進(jìn)行積分計算，由文獻(xiàn)[3]可得原始模型能量利用效率為0.9355；不同凸緣高度的擴(kuò)散管凸緣模型能量利用效率如表1所示。通過將積分結(jié)果分別乘以對應(yīng)的能量利用效率，可得出不同幾何參數(shù)的擴(kuò)散管凸緣模型對應(yīng)機(jī)組的可利用風(fēng)能，結(jié)果如圖9所示，風(fēng)輪半徑取0.4 m，且不加濃縮風(fēng)能裝置的機(jī)組可利用風(fēng)能計算值為1.115 kJ，而加有濃縮風(fēng)能裝置原始模型（圖1）的機(jī)組可利用風(fēng)能計算值為2.789 kJ。

表1 擴(kuò)散管凸緣模型能量利用效率

圖9 不同幾何參數(shù)的擴(kuò)散管凸緣模型可利用風(fēng)能

由圖9可知，帶有擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置對應(yīng)的機(jī)組可利用風(fēng)能計算值均高于原始模型（除為90 mm、為?15°和?12°的模型），說明擴(kuò)散管凸緣能夠提高濃縮風(fēng)能裝置的濃縮效率。而對于相同的濃縮風(fēng)能裝置模型，擴(kuò)散管凸緣角度對機(jī)組可利用風(fēng)能的影響較小，且的變化對機(jī)組可利用風(fēng)能的影響程度隨著的增大而增大。另外機(jī)組可利用風(fēng)能的計算值隨擴(kuò)散管凸緣的增加而增大，在所研究模型中，為450 mm的濃縮風(fēng)能裝置對應(yīng)機(jī)組的可利用風(fēng)能較大，其中為450 mm、為+9°的擴(kuò)散管凸緣模型對應(yīng)的可利用風(fēng)能最大，達(dá)到了5.139 kJ，比原始模型提高了84.26%。

通過研究分析擴(kuò)散管凸緣幾何參數(shù)對機(jī)組可利用風(fēng)能的影響可得：可利用風(fēng)能隨擴(kuò)散管凸緣的增加而增大，受變化的影響幅度與的大小成正比；在所研究模型中，擴(kuò)散管凸緣為450 mm、為+9°的濃縮風(fēng)能裝置模型對風(fēng)能的利用效率較高。

根據(jù)不同幾何參數(shù)的擴(kuò)散管凸緣對流場流速和機(jī)組可利用風(fēng)能的影響研究結(jié)果，可進(jìn)行如下分析：在所研究的模型中，為+9°的濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場流體流速較高，說明凸緣為+9°的裝置對自然風(fēng)的加速效果較好，且其中為450 mm的模型內(nèi)部流場流速較高；因此，擴(kuò)散管凸緣為450 mm、為+9°的濃縮風(fēng)能裝置對應(yīng)機(jī)組的可利用風(fēng)能計算值較大，說明其濃縮風(fēng)能效率較高。綜上所述，從流場流速和機(jī)組可利用風(fēng)能的角度分析，帶有為450 mm、為+9°擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置模型是流場性能較佳的濃縮風(fēng)能裝置結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬與試驗驗證研究擴(kuò)散管凸緣對濃縮風(fēng)能裝置流場性能的影響，得到結(jié)論如下：

1）擴(kuò)散管凸緣結(jié)構(gòu)能夠明顯提高濃縮風(fēng)能裝置對自然風(fēng)的加速作用；裝置內(nèi)部流場的流速隨凸緣高度的增加而增大，且為+9°的濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場流體流速較高；其中為450 mm、為+9°的模型結(jié)構(gòu)具有較好的聚風(fēng)加速作用，其內(nèi)部流場最大合流速和沿軸最大速度矢量值比原始模型分別提高了30.738%和30.641%。

2）擴(kuò)散管凸緣結(jié)構(gòu)能夠明顯提高濃縮風(fēng)能裝置對風(fēng)能的全年利用率，而且工作段處風(fēng)輪掃掠面積上的可利用風(fēng)能隨擴(kuò)散管凸緣的增加而增大；在所研究模型中，為450 mm、為+9°的擴(kuò)散管凸緣模型對應(yīng)的機(jī)組可利用風(fēng)能較大。

3）綜合分析流場流速和機(jī)組可利用風(fēng)能，帶有為450 mm、為+9°的擴(kuò)散管凸緣的濃縮風(fēng)能裝置模型流場性能較佳；并通過風(fēng)洞試驗驗證了結(jié)果的可靠性。

[1] Stevens S J, Williams G J. The influence of inlet conditions on the performance of annular diffusers[J]. Journal of Fluids Engineering, 1980, 102(3): 357－363.

[2] Foreman K M, Gilbert B L. Experiments with a diffuser-augmented model wind turbine[J]. Energy Resource Techno Trans ASME, 1983, 105(3): 46－53.

[3] 田德. 大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧學(xué)院學(xué)報，1993，14(2)：80－89.

Tian De. Design of large wind turbine[J]. Journal of Inner Mongolia Institute of Agriculture & Animal Husbandry, 1993, 14(2): 80－89. (in Chinese with English abstract)

[4] 田德，刁明光，黃順成，等. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體模型風(fēng)洞實驗（第Ⅲ報）：發(fā)電對比實驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1996，12(2)：92－96.

Tian De, Diao Mingguang, Huang Shuncheng, et al. A wind-tunnel test on the entirety model of concentrated wind energy turbine (Report No. 3): The generated output power comparative test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1996, 12(2): 92－96. (in Chinese with English abstract)

[5] Phillips D G, Richards P J, Flay R G J. CFD modelling and the development of the diffuser augmented wind turbine[J]. Wind and Structures, 2002, 5(2/3/4): 267－276.

[6] 韓巧麗，田德，王海寬，等. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似模型流場特性實驗：車載法實驗與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(1)：110—115.

Han Qiaoli, Tian De, Wang Haikuan, et al. Test of flow field characteristics of the resembled model of concentrated wind energy turbine outside truck-mounted test and analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(1): 110—115. (in Chinese with English abstract)

[7] 馬廣興，田德，韓巧麗，等. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場仿真與實驗研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，33(4)：143—147.

Ma Guangxing, Tian De, Han Qiaoli, et al. Flow field simulation and experimental study on concentrated wind energy turbines[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University: Nature Science Edition, 2012, 33(4): 143—147. (in Chinese with English abstract)

[8] 馬廣興，田德，韓巧麗，等. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)濃縮裝置流場特性及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(10)：57－63.

Ma Guangxing, Tian De, Han Qiaoli, et al. Flow field characteristic and test on concentration device of concentrated wind energy turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 57－63. (in Chinese with English abstract)

[9] 汪建文，孫科，辛士宏，等. 風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的數(shù)值分析與風(fēng)洞實驗研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報：自然與科學(xué)版，2005，33(12)：37－40.

Wang Jianwen, Sun Ke, Xin Shihong, et al. The numerical simulation of inside flow field and wind tunnel experiment of diffuser augmented wind turbines[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology: Nature Science Edition, 2005, 33(12): 37－40. (in Chinese with English abstract)

[10] Abe K, Nishida M, Sakurai A, et al. Experimental and numerical investigations of flow fields behind a small wind turbine with a flanged diffuser[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2005, 93(12): 951－970.

[11] 陳松利，田德，辛海升，等. 200 W濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用及運(yùn)行效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(8)：225－229.

Chen Songli, Tian De, Xin Haisheng, et al. Application and operation effect of 200W concentrated wind energy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 225—229. (in Chinese with English abstract)

[12] 韓巧麗，田德，王海寬，等. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)改進(jìn)模型流場與功率輸出特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(3)：93—97.

Han Qiaoli, Tian De, Wang Haikuan, et al. Flow field and power output characteristic of the reformative model concentrated wind energy turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(3): 93－97. (in Chinese with English abstract)

[13] 宋海輝，田德. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電提水系統(tǒng)及其仿真研究[J]. 太陽能學(xué)報，2011，32(10)：1556－1559.

Song Haihui, Tian De. Simulation research of the concentrated wind turbine water pumping system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(10): 1556－1559. (in Chinese with English abstract)

[14] Chen T Y, Liao Y T, Cheng C C. Development of small wind turbines for moving vehicles: Effects of flanged diffusers on rotor performance[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2012, 42: 136－142.

[15] 田德，姬忠濤. 聚碳酸酯材料的濃縮風(fēng)能裝置流固耦合分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(2)：191－196.

Tian De, Ji Zhongtao. Fluid-solid interaction modeling analysis of wind-energy concentration devices with polycarbonate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 191－196. (in Chinese with English abstract)

[16] Wang W X, Matsubara T, Hu J, et al. Experimental investigation into the influence of the flanged diffuser on the dynamic behavior of CFRP blade of a shrouded wind turbine[J]. Renewable Energy, 2015, 78: 386－397.

[17] 田德，馬廣興，林俊杰. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)濃縮裝置流場特性模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(15)：83－88.

Tian De, Ma Guangxing, Lin Junjie. Simulation and experiment on flow field characteristics of concentrated device of concentrated wind energy turbines in wind shear[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 83－88. (in Chinese with English abstract)

[18] Takagi S, Matsushima T, Muroyama S. Characteristics of a highly efficient propeller type wind turbine with a diffuser for stand-alone power supply systems[C] // INTELEC '03. Proceedings. The 25th International Telecommunications Energy-INTELEC '03, Japan, 2003: 391－395.

[19] Jafari S A H, Kosasih B. Flow analysis of shrouded small wind turbine with a simple frustum diffuser with computational fluid dynamics simulations[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 125: 102－110.

[20] Kosasih B, Hudin H S. Influence of inflow turbulence intensity on the performance of bare and diffuser-augmented micro wind turbine model[J]. Renewable Energy, 2016, 87: 154－167.

[21] Ohya Yuji, Karasudani Takashi. A shrouded wind turbine generating high output power with wind-lens technology[J]. Energies, 2010, 3(4): 634－649.

[22] 田德，毛曉娥，林俊杰，等. 濃縮風(fēng)能裝置內(nèi)部流場仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(1)：104－111.

Tian De, Mao Xiao’e, Lin Junjie, et al. Internal flow field simulation of concentrated wind energy device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(1): 104－111. (in Chinese with English abstract)

[23] 田德，王海寬，韓巧麗. 濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究與進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(增刊1)：177－181.

Tian De, Wang Haikuan, Han Qiaoli. Study and development on the concentrated wind energy turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(Supp.1): 177－181. (in Chinese with English abstract)

[24] 馬廣興. 濃縮風(fēng)能裝置流場風(fēng)切變特性實驗研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

Ma Guangxing. Experimental Study on Flow Field Characteristic of Concentrated Wind Energy Equipment in Wind Shear[D]. Hohhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[25] Menter F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1598－1605.

[26] Menter F R, Kuntz M, Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model[C]//Turbulence, Heat and Mass Transfer, Antalya, Turkey, 2003.

[27] Tourlidakis A, Vafiadis K, Andrianopoulos V, et al. Aerodynamic design and analysis of a flanged diffuser augmented wind turbine[C]//ASME, San Antonio, USA, 2013.

[28] 林俊杰，田德，鄧英. 濃縮風(fēng)能裝置流場仿真與優(yōu)化設(shè)計[J]. 太陽能學(xué)報，2016，37(7)：1891－1899.

Lin Junjie, Tian De, Deng Ying. Flow field simulation and optimization design of concentrated wind energy device[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(7): 1891－1899. (in Chinese with English abstract)

[29] 田德，林俊杰，鄧英，等. 濃縮風(fēng)能裝置增壓板流場性能仿真研究[J]. 太陽能學(xué)報，2017，38(1)：39－46.

Tian De, Lin Junjie, Deng Ying, et al. Flow field performance simulation study on the pressurization board of concentrated wind energy device[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38(1): 39－46. (in Chinese with English abstract)

[30] Costin Ioan Co?oiu, Andrei Mugur Georgescu, Mircea Degeratu, et al. Numerical predictions of the flow around a profiled casing equipped with passive flow control devices[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2013, 114: 48－61.

Flow field simulation verification and flanged structure optimized design of concentrated wind energy device diffuser

Lin Junjie, Tian De※, Chen Jing, Wang Weilong, Deng Ying

(,,102206,)

Concentrated wind energy device is the core component of concentrated wind energy turbine, and the flanged diffuser can enhance the swabbing effect of the concentrated wind energy device, which can increase the flow velocity of internal flow field and improve the wind power quality consequently. To enhance the efficiency of the concentrated wind energy device, internal flow field characteristics of flanged diffuser models with different diameters (flange height ranging from 90 to 450 mm and angel from -15° to +15°) were simulated and analyzed. In the process of the numerical simulation, the fluid medium was the air with the temperature of 296.75 K and the density of 1.153 kg/m3. Besides, the velocity-inlet and pressure-outlet were adopted as the boundary condition of computational field. Other boundaries were set as stationary wall and no slip. The physical model was simplified to the steady incompressible fluid problem without heat transfer, and basic governing equations were continuity equations and Navier-Stokes equations. The turbulence model was SST (shear-stress transport)-model. Simulation results show that the flanged diffuser could strength the acceleration and concentration efficiency of concentrated wind energy device. And the flow velocity and usable wind energy of the rotor swept area were increased with the increasing of flange height. In all the models, when the flow velocity and usable wind energy were considered together, the model with flanged diffuser of height of 450 mm and angel of +9° was the optimal structure of concentrated wind energy device. Compared with the original model, the maximum flow velocity of the optimal model was increased by 30.738%, and the usable wind energy was increased by 84.26%. The feasibility of the model and simulation method were verified by wind tunnel experiment with the nominal wind speed of 10 m/s. Flow field calibration was proceeded in the wind tunnel firstly to choose a suitable flow field for the experiment. Then the concentrated wind energy device model, having the same scale with the numerical calculation model, was fixed at the selected location inside the wind tunnel and the center line was in the middle section of the tunnel. The total pressure and static pressure of different test points on radial direction inside the model were measured by the Pitot tube and multi-channel pressure gauge. The temperature recorded during the test fluctuated from -1 to -0.5 ℃ and the atmospheric pressure was from 899 to 900 hPa. Numerical calculation results were reasonably verified by wind tunnel experiments. Although numerical results were greater than the experimental data obtained with the model of the same size, the general trends were almost the same. The main reason of the difference between the results was that the numerical simulation model was too idealized to embody the complex flow conditions inside the model. All the conclusions obtained from the research can provide a basis for the structure optimization of concentrated wind energy device.

wind energy; flow field; numerical simulation; concentrated wind energy device; diffuser; flange

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.008

TK83

A

1002-6819(2017)-18-0059-07

2017-04-14

2017-07-12

國家科技支撐計劃資助項目（2009BAA22B02）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（2016XS56）

林俊杰，女，吉林遼源人，博士生，主要從事風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)研究。Email：linjunjie_1991@163.com

田德，男，吉林松原人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)研究。Email：tdncepu@163.com