具有導(dǎo)流板直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性分析

蘇振鸞，李巖,2*，佟國(guó)強(qiáng)，馮放

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030； 2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150030； 3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030)

風(fēng)力機(jī)根據(jù)其轉(zhuǎn)軸與地面的相對(duì)位置，可將其分為垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)[1].近年來(lái)，作為垂直軸風(fēng)力機(jī)的經(jīng)典類型——直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需對(duì)風(fēng)、噪聲低以及適用于中小型離網(wǎng)式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注[2].

目前，較低的啟動(dòng)性能和輸出功率是直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)面臨的主要問題[3].為了解決這2個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究.LI等[4]設(shè)計(jì)并研究了1種聚風(fēng)裝置，可以有效改善低風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性.王國(guó)付等[5]對(duì)仿生凹凸翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)凸前緣延緩了流動(dòng)分離,而凹前緣提前了流動(dòng)分離.RAHMAN等[6]對(duì)V型葉片進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)V型葉片的風(fēng)力機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)研究中都表現(xiàn)出較高性能.LIU等[7]設(shè)計(jì)并研究了新型Gurney襟翼，結(jié)果表明與普通風(fēng)力機(jī)相比，葉片帶襟翼的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)提升了20%以上.JIN等[8]研究了上游導(dǎo)流裝置對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流裝置可以減少負(fù)扭矩，同時(shí)可以顯著提升風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.QASEMI等[9]研究了導(dǎo)流裝置對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流裝置的安裝使得風(fēng)力機(jī)的效率提高了16.42%.這些研究都有效地改善風(fēng)力機(jī)性能，但仍有不足，如裝置成本過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分研究?jī)H將輔助裝置安裝在同一個(gè)方向，這使得直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)喪失了無(wú)需對(duì)風(fēng)的優(yōu)勢(shì).

為了改善風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，文中針對(duì)在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)周向布置的平板型導(dǎo)流板進(jìn)行研究.利用二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法，以風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩為指標(biāo)，對(duì)導(dǎo)流板的安裝角度、寬度和導(dǎo)流板到風(fēng)力機(jī)的距離進(jìn)行研究，并得到效果最佳的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)組合.通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)安裝和不安裝導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)力矩特性、動(dòng)態(tài)功率特性以及轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行研究，并結(jié)合流場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

1 風(fēng)力機(jī)模型

采用額定功率為100 W的小型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)主要由4個(gè)采用NACA0018翼型的葉片組成，葉片弦長(zhǎng)、高度分別為0.125和0.500 m，風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)直徑為0.6 m.為了保持風(fēng)力機(jī)無(wú)需對(duì)風(fēng)的優(yōu)勢(shì)以及導(dǎo)流板的效果，本研究采用的導(dǎo)流板個(gè)數(shù)是6個(gè)，導(dǎo)流板的安裝角度θ、厚度I、寬度B以及導(dǎo)流板與風(fēng)力機(jī)之間的距離l分別為-9°，0.003 m，0.18 m和0.092 m.安裝導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)模型示意圖如圖1所示.另外，在圖1a中對(duì)風(fēng)力機(jī)的方位角α進(jìn)行定義，選取逆時(shí)針方向?yàn)檎较?

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

2 研究方法

2.1 性能參數(shù)

風(fēng)力機(jī)的性能參數(shù)包括尖速比λ、力矩系數(shù)CM以及功率系數(shù)CP.其中尖速比是風(fēng)力機(jī)外徑線速度與來(lái)流風(fēng)速的比值，表示風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，計(jì)算式為

(1)

式中：v為風(fēng)力機(jī)外徑線速度，m/s；U為來(lái)流風(fēng)速，m/s；ω為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；R為風(fēng)力機(jī)半徑，m.

力矩系數(shù)為風(fēng)力機(jī)在氣流中吸收能量與氣流總能量的比值，計(jì)算式為

(2)

式中：M為風(fēng)力機(jī)力矩，N·m；ρ為空氣密度，kg/m3；A為風(fēng)力機(jī)掃掠面積，m2.

功率系數(shù)為風(fēng)力機(jī)在氣流中吸收能量而產(chǎn)生的功率與氣流總功率的比值，是評(píng)價(jià)風(fēng)力機(jī)性能重要參數(shù)，計(jì)算式為

(3)

式中:P為風(fēng)力機(jī)功率，W.

2.2 數(shù)值模擬

2.2.1 模型及設(shè)置

采用商業(yè)軟件ANSYS Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，由于文中使用的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)和導(dǎo)流板在展向具有一致性，因此采用二維數(shù)值模擬[10-11].為簡(jiǎn)化建模，在模擬過程中忽略了如轉(zhuǎn)軸、橫梁和法蘭等連接部件.

數(shù)值模擬中的計(jì)算域示意圖如圖2所示.由圖可知，計(jì)算域由矩形靜止域和圓形旋轉(zhuǎn)域組成，靜止域的尺寸為10.0D×15.0D,旋轉(zhuǎn)域的半徑為1.1D(D為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)直徑).靜止域和旋轉(zhuǎn)域通過interface邊界結(jié)合，以保證數(shù)據(jù)的傳輸，靜止域左側(cè)設(shè)定為速度入口，入口速度為恒定的10 m/s.右側(cè)為壓力出口，出口壓力設(shè)定與大氣壓相同.葉片和靜止域上下邊界設(shè)定為壁面.

圖2 計(jì)算域及邊界設(shè)定Fig.2 Computational domain and boundary setting

在數(shù)值模擬過程中，采用SSTk-ω湍流模型以及SIMPLE算法，動(dòng)量、湍動(dòng)量、比耗散率均采用二階迎風(fēng)格式，收斂誤差設(shè)定為10-5.

2.2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格對(duì)模擬結(jié)果有很大影響，過少的網(wǎng)格數(shù)量會(huì)使得到的結(jié)果準(zhǔn)確性下降，而過多的網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)帶來(lái)更高的計(jì)算成本[12].為了準(zhǔn)確且快速的得到計(jì)算結(jié)果，文中進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證.以安裝導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)在0°方位角時(shí)的靜態(tài)力矩系數(shù)為指標(biāo)，分別采用數(shù)量N為3.3萬(wàn)、10.7萬(wàn)、18.4萬(wàn)、30.7萬(wàn)、51.6萬(wàn)和99.9萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在10.0萬(wàn)～30.3萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而增大.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于30.7萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果幾乎不隨網(wǎng)格數(shù)變化.為了兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性以及計(jì)算成本，數(shù)值模擬部分網(wǎng)格采用30.7萬(wàn)，未安裝導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)網(wǎng)格數(shù)為25.6萬(wàn).

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence verification

在網(wǎng)格劃分過程中，全局網(wǎng)格最大尺寸小于葉片弦長(zhǎng)，靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界處采用相同的網(wǎng)格尺寸，以保證靜止域與旋轉(zhuǎn)域數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且穩(wěn)定的傳輸.在葉片和導(dǎo)流板附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密設(shè)置，以捕捉葉片和導(dǎo)流板表面的流動(dòng)分離.計(jì)算域網(wǎng)格如圖4所示.

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.4 Grids in computational domain

2.2.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)風(fēng)速為6 m/s時(shí)無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)模型的靜態(tài)力矩系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示.由圖可知，2條曲線在趨勢(shì)上基本一致，但數(shù)值模擬結(jié)果稍高于試驗(yàn)結(jié)果.這主要是因?yàn)樵跀?shù)值模擬過程中忽略了試驗(yàn)過程中存在的轉(zhuǎn)軸和法蘭等部件，且數(shù)值模擬過程中的環(huán)境過于理想.在二維數(shù)值模擬過程中并未考慮葉尖損失，這也是造成數(shù)值模擬結(jié)果高于試驗(yàn)結(jié)果的原因.

圖5 計(jì)算方法驗(yàn)證Fig.5 Calculation method validation

2.3 風(fēng)洞試驗(yàn)

采用開口射流低速風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)洞如圖6所示.風(fēng)洞長(zhǎng)寬分別為9.1和2.3 m，風(fēng)洞出口面積為1 m×1 m.風(fēng)速可調(diào)為1～20 m/s.在試驗(yàn)過程中，風(fēng)力機(jī)放置在距風(fēng)洞出口1 m處，且風(fēng)力機(jī)中心高度與風(fēng)洞出口中心高度相同.通過風(fēng)洞出口處的風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力矩均使用扭矩傳感器測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)備詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[12].

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.6 Wind tunnel test

3 導(dǎo)流板設(shè)計(jì)

3.1 因素水平選取

根據(jù)導(dǎo)流板及其與風(fēng)力機(jī)位置尺寸關(guān)系，設(shè)定了3個(gè)參數(shù)的上下限，因素水平編碼表見表1.安裝不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)流板時(shí)，風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩Mavg如表2所示.當(dāng)導(dǎo)流板的寬度、安裝角度以及距離分別為180 mm,-9°,92 mm時(shí)，風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩最大，達(dá)到1.415 N·m.當(dāng)導(dǎo)流板的寬度、安裝角度以及距離分別為120 mm,9°,68 mm時(shí)，風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩最小，為0.788 N·m.

表1 編碼表Tab.1 Coding table

表2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Tab.2 Numerical simulation results

3.2 方差分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示.F值的大小代表著該因素的顯著性，因素的F值越大則說(shuō)明該因素顯著性越高.P值則是衡量控制組和試驗(yàn)組之間差異大小的指標(biāo).由表可知，模型的F值較大，即表示模型差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而失擬誤差不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明該模型是合適的.

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

剔除不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義項(xiàng)，得到平均靜態(tài)力矩T和各因素的回歸方程，計(jì)算式為

T=1.17+0.11x1+0.16x2-0.10x3+

(4)

綜上，得到本研究條件下導(dǎo)流板最佳參數(shù)組合，即導(dǎo)流板的寬度、安裝角度、距離分別為180 mm,-9°,92 mm.

3.3 交互項(xiàng)分析

在安裝角為0°時(shí)，平均靜態(tài)力矩隨導(dǎo)流板寬度和距離的變化如圖7所示.由圖可知，當(dāng)導(dǎo)流板到風(fēng)力機(jī)的距離一定時(shí)，導(dǎo)流板寬度的增加，會(huì)使得風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩增大，但當(dāng)導(dǎo)流板的寬度進(jìn)一步增大時(shí)，風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)力矩將下降.導(dǎo)流板到風(fēng)力機(jī)距離對(duì)風(fēng)力機(jī)平均靜態(tài)力矩的影響也顯示了類似的現(xiàn)象.

圖7 響應(yīng)面分析Fig.7 Response surface analysis

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 靜態(tài)啟動(dòng)特性

在10 m/s風(fēng)速下，對(duì)有無(wú)導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，靜態(tài)力矩系數(shù)如圖8所示.由圖可知，導(dǎo)流板的安裝有效地提升了風(fēng)力機(jī)在各個(gè)方位角的力矩系數(shù)，其中0°,10°,30°和50°提升最為明顯，分別提升了49.3%,59.9%,50.6%和150.0%.有無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的最大力矩系數(shù)均在70°方位角時(shí)出現(xiàn)，與無(wú)導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)相比，有導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的最大力矩系數(shù)提升了15.2%.在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的平均力矩系數(shù)為0.073，安裝導(dǎo)流板后風(fēng)力機(jī)的平均力矩系數(shù)增長(zhǎng)到0.099，提升了35.6%.

圖8 靜態(tài)力矩系數(shù)Fig.8 Static torque coefficient

4.2 靜態(tài)流場(chǎng)

為了進(jìn)一步分析導(dǎo)流板對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)的影響，以70°方位角為例，對(duì)有無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的壓力和速度分布進(jìn)行分析，如圖9,10所示.

圖9 壓力和流線圖Fig.9 Pressure cloud and streamline

由圖9可知，在方位角70°時(shí)，安裝導(dǎo)流板后，流場(chǎng)整體變化較大.導(dǎo)流型風(fēng)力機(jī)上游葉片處的壓差明顯增大，且低壓區(qū)由葉片前緣向葉片尾緣移動(dòng)，從而增大葉片產(chǎn)生的扭矩，使得風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能有了明顯改善.

由圖10可知，導(dǎo)流板的安裝增大了流入風(fēng)力機(jī)的氣流速度，且在風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)側(cè)加速效果更加明顯，與相同來(lái)流風(fēng)速下無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)相比，有導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生了更大的氣動(dòng)力，從而使其氣動(dòng)性能得到改善.

圖10 速度云圖Fig.10 Velocity cloud

4.3 功率特性

圖11為10 m/s風(fēng)速條件下，有無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)隨尖速比變化曲線.由圖可知，有無(wú)導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)均在尖速比為1.0時(shí)達(dá)到最大功率系數(shù)，無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)最大功率系數(shù)為0.081，安裝導(dǎo)流板后風(fēng)力機(jī)的最大功率系數(shù)增長(zhǎng)到0.113，提升了39.5%.

圖11 有無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)Fig.11 Power coefficient of rotors with and without guide vane

4.4 轉(zhuǎn)速特性

圖12為風(fēng)速在6和10 m/s時(shí)，有無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨時(shí)間變化的曲線.

圖12 有無(wú)導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)速Fig.12 Rotational revolutions of rotors with and without guide vane

由圖12可知，導(dǎo)流板的安裝使得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速有了明顯提升.當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)約在330 s達(dá)到最高轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定，最高轉(zhuǎn)速為12.85 r/min.有導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)約在260 s達(dá)到最高轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定，最高轉(zhuǎn)速為17.05 r/min，與無(wú)導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)相比，有導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速提升了32.68%.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，有導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速更快的達(dá)到穩(wěn)定，約為200 s，而無(wú)導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)則需要約370 s才能使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定.有導(dǎo)流板的風(fēng)力機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到385 r/min，與無(wú)導(dǎo)流板風(fēng)力機(jī)的351 r/min相比提升了9.68%.

5 結(jié) 論

1) 對(duì)平板型導(dǎo)流板的研究，利用二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法，研究了導(dǎo)流板對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)特性的影響，得到最優(yōu)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù).

2) 具有較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)流板可在一定程度上提高直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)力矩系數(shù)、功率系數(shù)和轉(zhuǎn)速.在10 m/s風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)最大靜力矩系數(shù)提升了35.6%，功率系數(shù)提升了39.5%.