耿 直,連夢林,張麗娜,文振華,黃春犁,曾慶儀,姚 瑤,劉媛媛,顧煜炯
(1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空發(fā)動機學(xué)院,河南 鄭州 450046;2. 華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司 科技信息部,河南 鄭州 450046;3. 清華大學(xué) 能源與動力工程系,北京 100084;4. 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心(華北電力大學(xué)),北京 102206)
作為一種清潔無污染的可再生能源,風能因具有來源廣泛以及容易利用的特點而受到人們的關(guān)注。地球上可利用的風能儲量豐富[1]。
風力發(fā)電是當前風能利用的一種有效形式。風能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備是風力機。風力機是將風能轉(zhuǎn)換為電能的機械動力裝置。按風輪結(jié)構(gòu)的不同,風力機主要分為水平軸和垂直軸風力機2大類。近年來,水平軸風力機已實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)與工程化應(yīng)用。為推動垂直軸風力發(fā)電設(shè)備向成熟化發(fā)展,國內(nèi)外許多學(xué)者致力于提高和改善其風能利用率關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。
國內(nèi)方面。文獻[2]研究了風機在風場中的受力情況,設(shè)計出了2排風機機組的系統(tǒng),解決了葉片迎風高度不一致問題。文獻[3]給出了葉片處于0°時,風力機具有最高的轉(zhuǎn)矩系數(shù)的研究結(jié)論。文獻[4]認為在潔凈空氣工況下,風力機葉片在葉尖處的渦量最大,在上游葉片處失速狀況明顯。文獻[5]提出成對布置的風力機結(jié)構(gòu),以促進風輪氣動特性優(yōu)化。文獻[6]發(fā)現(xiàn),當風輪選用NACA0015和NACA0018對稱翼型時,風輪整體獲得了更高的風能利用系數(shù)。文獻[7]在優(yōu)化2維模型的網(wǎng)格處理的基礎(chǔ)上,分析了風輪運行特性,并對風輪的一些重要參數(shù)進行了分析研究。文獻[8]對葉片翼型進行了強度校核分析,并以NACA0015葉片翼型為研究對象,發(fā)現(xiàn)增加葉片翼型厚度可減小葉片翼型變形量,提高葉片的使用壽命。文獻[9]在網(wǎng)格節(jié)點優(yōu)化的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)攻角在0°到8°之間波動時,數(shù)值模擬得到的結(jié)果最接近實驗結(jié)果。文獻[10]發(fā)現(xiàn)葉片翼型在正迎角范圍內(nèi),垂直軸風力機的氣動性能表現(xiàn)較優(yōu)。文獻[11]提出了一種同軸對轉(zhuǎn)式的設(shè)計,可為海上垂直軸風力機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一定參考。文獻[12]設(shè)計了一種聚風裝置,提高了垂直軸風力機的功率系數(shù)。文獻[13]對比了NACA0018和非對稱翼型S809這2種翼型,發(fā)現(xiàn)NACA0018結(jié)構(gòu)的啟動性能更佳。文獻[14]優(yōu)化了NACA0018的翼型設(shè)計,提高了最大升力系數(shù)。文獻[15]優(yōu)化了風輪的翼型結(jié)構(gòu),優(yōu)化后的翼型和原翼型相比,最大功率系數(shù)提高了8.45%。
國外方面。文獻[16]通過確定低尖速比的最佳氣翼形狀,為垂直軸風力機設(shè)計出優(yōu)化的變形氣翼結(jié)構(gòu)。文獻[17]發(fā)現(xiàn)葉片尖端的末端效應(yīng)會產(chǎn)生顯著的次流量,尤其在向風側(cè)表現(xiàn)更為明顯。文獻[18]解決了風機扭矩波紋,即渦輪機在運行過程中產(chǎn)生的扭矩變化問題。文獻[19]為了提高垂直軸風力機的綜合性能,開發(fā)并使用了多級Savonius轉(zhuǎn)子中扭曲葉片的新配置。文獻[20]實施了一項數(shù)字戰(zhàn)略,并成功預(yù)測了某垂直軸風力機與國家電價相比所產(chǎn)生的能源水平成本情況。文獻[21]設(shè)計了一種帶有 NACA0018空氣翼的垂直軸風力機,得到了可輸出23.45 W的風能轉(zhuǎn)換功率結(jié)果。文獻[22]詳細介紹了 NACA0018、NACA0021和NACA0025這3種不同翼型的小型垂直軸風力機的計算模型和數(shù)值模擬方法特點。
綜上所述,在垂直軸風力機的氣動特性領(lǐng)域,研究者們開展了諸多關(guān)于實驗、數(shù)值模擬方法及理論分析等方面的研究工作[23]。目前,針對垂直軸風力機遠場尾流風速分布、風輪壓力和湍流動能流場分布特性等方面的研究較少,尚未總結(jié)出相對準確的流場分布規(guī)律。因此,本文采用CFD數(shù)值模擬軟件,針對該問題建立合理的計算模型,開展仿真研究,分析其內(nèi)部變化規(guī)律。
垂直軸風力機(vertical axis wind turbine,VAWT)的風輪葉片的旋軸是垂直于地面的,其結(jié)構(gòu)相對簡單,常匹配小型風力發(fā)電機,易于維護與安裝。VAWT系統(tǒng)的特點是:重心較低,容易適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,不需要偏航裝置;在轉(zhuǎn)速低時也可以發(fā)電;風輪轉(zhuǎn)動半徑小,節(jié)約空間,可以容納更多的設(shè)備。以上突出優(yōu)勢都促使VAWT非常適應(yīng)于區(qū)域化分布式能源的工程應(yīng)用。
典型的H型垂直軸風輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。H型VAWT主要由葉片連桿、葉片、轉(zhuǎn)子等組成。當風輪運行時,任意方向的來流風均能推動風輪以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)做功。本文在研究中假設(shè)來流風水平地流向風輪本體結(jié)構(gòu)。
圖1 H型垂直軸風輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of H-type vertical axis wind wheel
為了節(jié)省計算資源、提高計算效率,建立2維H型VAWT計算模型。風力機的計算域簡化模型俯視圖如圖2所示,圖中旋轉(zhuǎn)區(qū)域半徑R為1.2 m,翼型為NACA0018。設(shè)定垂直軸風輪為4葉片風輪,葉片弦長為0.41 m,葉尖速比為4。調(diào)用某地典型時段的自然風速氣象數(shù)據(jù),分別選取來流風速分別為5 m/s、10 m/s和15 m/s作為初始條件。
圖2 仿真計算域簡化模型Fig. 2 Simulation computational domain simplified model
連續(xù)性方程為:
動量方程為:
能量方程為:
式中:ρ為密度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);μ為運動粘度;cp為比熱容;ux為x方向上的速度;uy為y方向上的速度;h為比焓;τ為時間。
葉尖速比λ表達式為:
力矩系數(shù)Cm表達式為:
風能利用系數(shù)Cp表達式為:
式中:U為來流風速;V為風輪外徑切線速度;ω為風輪角速度;ρ為空氣密度;A為風輪掃掠面積;P為風力機軸功率;E為風輪掃掠面積風功率。
模擬中,主要對風機左邊界、右邊界、上下邊界、翼型表面以及動靜區(qū)域的交界面等進行了設(shè)置,如圖2所示。
利用ICEM軟件進行計算域的二維模型網(wǎng)格劃分,整個計算域如圖3所示。風輪內(nèi)部的流場變化十分復(fù)雜,在接近翼型壁面處更是如此。為提高翼型表面附近網(wǎng)格的劃分質(zhì)量,在其附近進行了網(wǎng)格加密化處理。
圖3 計算域網(wǎng)格劃分Fig. 3 Mesh generation of computational domain
由于網(wǎng)格數(shù)量會對最終的數(shù)值模擬結(jié)果有影響,為確保所畫網(wǎng)格及模型建立的可靠性與合理性,本節(jié)分別采用了104 020、207 912、376 720這 3種不同規(guī)格的網(wǎng)格數(shù)進行模擬計算。以最大空氣流速作為監(jiān)控量。當進口速度為 15 m/s時,這 3種網(wǎng)格數(shù)量下的空氣最大流動速度計算結(jié)果分別為44.03 m/s、44.04 m/s、44.04 m/s。由此結(jié)果可知,網(wǎng)格數(shù)超過207 912后,網(wǎng)格數(shù)的進一步增大對最大空氣流動速度計算的影響可忽略不計。為方便計算,確定最終所選網(wǎng)格數(shù)為207 912,可滿足仿真計算結(jié)果的合理性與可靠性。
圖4示出了當葉尖速比為4時不同進口速度下的風輪速度分布。
圖4 不同來流風速下的速度分布云圖Fig. 4 Cloud diagram of velocity distribution under different incoming wind speeds
由圖4可知,氣流速度最大的位置位于翼型壁面附近,速度最小的位置基本分布在風力機的后面,并在風力機的尾部形成一個拖尾。外界來流風速越大,葉片周圍空氣的流動速度就越大,呈現(xiàn)正相關(guān)變化趨勢。此外,風輪所在旋轉(zhuǎn)區(qū)域的后方,存在一條清晰明顯的尾流區(qū);這一區(qū)域內(nèi)空氣流動速度明顯低于其它區(qū)域的流速。隨著外部來流風速的增加,風輪后尾流區(qū)域的長度也逐漸變長,且左端的空氣流動速度基本等于來流風速。從云圖中可以看出,風輪四周的速度分布都不同,而且四周空氣的流動速度改變較為明顯。
圖 5示出了不同來流風速下風輪周圍空氣最大流動速度。由圖可知:當外界來流風速為 5 m/s時,最大速度為18.9 m/s;當來流風速為15 m/s時,最大速度為44.0 m/s。
圖5 不同來流風速下的風輪周圍空氣最大流動速度Fig. 5 Maximum air flow velocity around the wind turbine under different incoming wind speeds
圖6為葉尖速比為4時不同進口速度下的流場壓力分布規(guī)律圖。分析圖6可知,旋轉(zhuǎn)區(qū)域附近的最大壓力場出現(xiàn)在葉尖處。在翼型前緣和后緣之間形成的壓差,成為風機旋轉(zhuǎn)時的阻力。風輪外部壓力明顯高于風輪內(nèi)部,這個壓力差使得葉片有了向上運動的趨勢,形成了葉片的升力,即風力機旋轉(zhuǎn)的動力所在。
圖6 不同來流風速下的壓力分布云圖Fig. 6 Cloud image of pressure distribution under different incoming wind speeds
圖7示出不同來流風速下最大壓力差的變化趨勢。由圖7可知,隨著來流風速的不斷增加,葉片上下緣之間的壓力差不斷上升,且差值越來越大。VAWT的升力主要來源于葉片上下緣的壓力差;因此,隨著來流風速的不斷增加,風力機受到來流風的升力也變得越來越大。研究表明,當來流風速從5 m/s增大到15 m/s時,葉片上下緣之間的壓力差增加到原來的6.5倍。
圖7 不同來流風速下最大壓力差變化曲線Fig. 7 Maximum pressure difference curve at different incoming wind speeds
圖8示出了葉尖速比為4時不同進口速度下的流場速度分布規(guī)律。分析圖8可知,在3種不同來流風速運行工況下,風輪后端都會形成一個高湍流流動區(qū)域。從圖8中可以看出,隨著來流風速的不斷增大,尾流中高湍流區(qū)域距離風輪的中心點距離則越來越大。具體計算結(jié)果顯示,當來流風速每增加5 m/s時,高湍流區(qū)域距離風輪旋轉(zhuǎn)中心的長度增加2.5 m左右。
圖8 不同來流風速下的湍流動能分布云圖Fig. 8 Cloud map of turbulent kinetic energy distribution under different incoming wind speeds
圖9示出了不同來流風速下的最大湍動能變化情況。分析圖9可知,湍動能的最大值隨著來流風速的增大而增大,呈正相關(guān)變化趨勢。具體的計算結(jié)果為:當來流風速為15 m/s時,湍動能值達到最大峰值,結(jié)果為25.20 m2/s2。
圖9 不同來流風速下的最大湍動能變化曲線Fig. 9 Variation curve of maximum turbulent kinetic energy under different incoming wind speeds
本文基于 FLUENT數(shù)值仿真軟件,建立了VAWT風輪的二維流場數(shù)學(xué)模型,對VAWT風輪的流場分布特性進行了數(shù)值模擬分析,得到如下結(jié)論:
(1)增大進口處的來流風速,可使風輪周圍的空氣最大流動速度增高。隨著來流風速的增高,風輪后的低流速拖尾也在變長。來流風速為5 m/s時,葉片表面附近空氣流動速度達到18.9 m/s;來流風速為15 m/s時,葉片附近空氣流動速度為44.0 m/s。
(2)垂直軸風輪的葉片前端區(qū)域壓力最大;葉片下緣附近壓力最小,并形成負壓區(qū)。來流風速從5 m/s增加到15 m/s時,葉片上下緣之間的最大壓力差增加到原來的6.5倍。
(3)在葉片后緣和風輪后尾流區(qū)域前端中心區(qū)域有高湍流區(qū)域形成,且風輪后的高湍動能區(qū)域隨外界來流風速的增大向后移動變化。