基于ANSYS 的活塞風(fēng)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

孫一中，魏軼凡，郭瑤蕾，龍江珊，朱子涵

（江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 213000）

現(xiàn)代交通飛速發(fā)展的同時(shí)，消耗的能源也大量增加。據(jù)規(guī)劃，全國(guó)地鐵總歷程未來(lái)將達(dá)到1.4 萬(wàn)km，涉及80 個(gè)城市。未來(lái)預(yù)計(jì)年耗電將達(dá)400 億kW·h，約占全國(guó)總電耗的5%以上[1]。

活塞風(fēng)是地下交通中不可避免的一種現(xiàn)象，當(dāng)高速運(yùn)行的列車(chē)進(jìn)入隧道時(shí)，隧道中原先處于靜止穩(wěn)定狀態(tài)的空氣受到慣性撞擊產(chǎn)生高壓波，在列車(chē)進(jìn)入隧道后，高壓波迅速向后方運(yùn)動(dòng)，后方原先靜止的空氣加速變成壓力波。當(dāng)壓力波向后方運(yùn)動(dòng)后又會(huì)加速原本該流場(chǎng)的空氣，循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成反射波。反射波將原先被加速的空氣向氣壓較低的隧道上方反射，形成單向高速氣流。在列車(chē)車(chē)身完全進(jìn)入隧道后，由于流場(chǎng)閾激增，單向高速氣流壓力小于外界氣壓，產(chǎn)生負(fù)壓波，形成反向高速氣流，二者循環(huán)結(jié)合形成活塞風(fēng)[2]。

島式隧道車(chē)站受活塞風(fēng)的影響，大量新風(fēng)進(jìn)入車(chē)站與隧道風(fēng)井中，減少活塞風(fēng)對(duì)車(chē)站和軌行區(qū)的影響，需大量降溫、除濕，這是導(dǎo)致地鐵車(chē)站運(yùn)行能耗高的主要原因?；钊L(fēng)呈規(guī)律性放生，所以屬于可利用的二次能源[3]。由此可見(jiàn)，如果能減少活塞風(fēng)的風(fēng)量并將它轉(zhuǎn)化為可用能源，不僅將節(jié)約地鐵車(chē)站大量溫控能耗，而且可以利用這些能源為低功耗場(chǎng)景提供照明。

1 理想環(huán)境設(shè)定

活塞風(fēng)的影響因素眾多，甚至是無(wú)法預(yù)測(cè)和定量的，比如列車(chē)運(yùn)行速度和隧道截面、大小、阻尼比，以及隧道長(zhǎng)度、通風(fēng)豎井的數(shù)量和位置等。每個(gè)因素對(duì)隧道活塞風(fēng)的作用和影響因素量是不固定的，所以只能通過(guò)理想情況去分析[2]。

假定以下理想狀態(tài)條件：場(chǎng)域內(nèi)流體粘性損失為1，場(chǎng)域內(nèi)流速方向相同，列車(chē)進(jìn)出及通風(fēng)井的影響為0，忽略一切場(chǎng)域內(nèi)因溫度造成的環(huán)境影響。

2 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪的設(shè)計(jì)主要是確定葉片數(shù)、風(fēng)輪直徑、風(fēng)輪高度、葉片翼型以及葉片弦長(zhǎng)等幾何參數(shù)進(jìn)行模擬估算，由于目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)均為大型風(fēng)場(chǎng)的參考數(shù)據(jù)，因此只能按照理想狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)模擬[4-5]。

在大型風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪直徑取決于風(fēng)力機(jī)本身的額定功率，還與風(fēng)力機(jī)運(yùn)行地區(qū)的海拔高度、風(fēng)輪功率系數(shù)、傳動(dòng)效率及發(fā)電機(jī)效率有關(guān)，即：

式（1）中：P為風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率，W；ρ為空氣密度，取1.22 kg/m3；CP為風(fēng)輪功率系數(shù)；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，m2；V為風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速，m/s；η1為傳動(dòng)效率；η2為發(fā)電機(jī)效率[5-6]。

由式（1）可以得出，風(fēng)輪的高徑比HD與風(fēng)輪高度H、風(fēng)輪直徑D之間存在如下關(guān)系式：HD=H/D=0.8～1.2[6]。對(duì)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片數(shù)N一般取2～5 片。葉片弦長(zhǎng)C可以由得到，其中R為風(fēng)輪半徑，N為葉片數(shù)，σ為葉輪實(shí)度，一般取σ=0.2～0.4。風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要指標(biāo)，風(fēng)輪的額定轉(zhuǎn)速與其額定值有關(guān)，即：

式（2）中：λ0為風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比。

設(shè)計(jì)時(shí)可以給定初始參數(shù)值，設(shè)計(jì)出理想達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型[6-7]。假設(shè)功率P、風(fēng)速V、效率η1η2、風(fēng)電機(jī)類(lèi)型（此處選擇D型的變形），可確定葉片掃風(fēng)面積A與風(fēng)輪直徑D及風(fēng)輪高度H的函數(shù)關(guān)系，選定風(fēng)輪的高徑比HD、葉片數(shù)N、葉片翼型及葉輪實(shí)度σ，便可以得到風(fēng)輪直徑D和葉片弦長(zhǎng)C[5]。同時(shí)如果確定風(fēng)輪功率系數(shù)CP，那可以根據(jù)所求出的雷諾數(shù)，得到CP-λ的特性曲線，并可以求出額定轉(zhuǎn)速。

由于活塞風(fēng)為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)問(wèn)題，計(jì)算完成要以迭代計(jì)算達(dá)到周期穩(wěn)定為節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，在原有計(jì)算的基礎(chǔ)再進(jìn)行一個(gè)周期的迭代計(jì)算，在計(jì)算中將這一周期劃分為M等份，并在每個(gè)時(shí)間段均輸出風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩Ti（1≤i≤M），則可以計(jì)算出風(fēng)輪的平均扭矩為：

因此，風(fēng)輪的輸出功率為：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算，基于活塞風(fēng)影響因素因子為1設(shè)計(jì)的地鐵隧道風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主要有曲軸柔性葉片、S型柔性葉片、風(fēng)力傳感器、連接軸、轉(zhuǎn)向桿、支架、馬格努斯效應(yīng)風(fēng)輪等。

3 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)建模

使用UG NX 軟件可進(jìn)行建模。用拉伸命令創(chuàng)建一個(gè)直徑為60 mm、長(zhǎng)為600 mm 的固定桿，在距離圓柱底端150 mm 和450 mm 的位置分別創(chuàng)建2 個(gè)長(zhǎng)30 mm、Φ80 mm 的圓柱，然后對(duì)2 個(gè)Φ80 mm 的圓柱上下兩端進(jìn)行拉伸，形成凹槽。以凹槽的端面為參考面，距離5 mm 的地方創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)平面。在基準(zhǔn)平面上畫(huà)出葉片的形狀后進(jìn)行拉伸，如圖1 所示。

圖1 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)

將葉片陣列后，利用鏡像特征命令，完成葉片在上下2 個(gè)Φ80 mm 的圓柱的創(chuàng)建。在上下相互錯(cuò)位的葉片上繪制如圖2 所示的樣條曲線，同樣進(jìn)行掃掠操作后，對(duì)其掃掠特征進(jìn)行陣列操作。

圖2 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)風(fēng)輪設(shè)計(jì)

在靠近下面葉片的部位創(chuàng)建一個(gè)直徑為10 mm、長(zhǎng)100 mm 的連接軸，然后在YC-ZC 平面繪制一個(gè)長(zhǎng)方形草圖，在連接軸的中部繪制一個(gè)樣條曲線。再利用掃掠命令創(chuàng)建出S 型柔性葉片。在靠近連接軸底部使用拉伸命令創(chuàng)建一個(gè)圓柱體后，進(jìn)行一些細(xì)節(jié)處理完成風(fēng)機(jī)機(jī)的繪制，如圖3 所示。

葉片是風(fēng)電機(jī)的最重要構(gòu)件，葉輪是接受風(fēng)能的構(gòu)件，在葉片和風(fēng)輪的共同努力下將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)切割磁力線而發(fā)電[8]。

利用以上步驟，設(shè)計(jì)完成達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)模型，小巧輕便、高效，適合在隧道空間內(nèi)安裝，是地鐵利用活塞風(fēng)的最佳選擇之一。達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、風(fēng)輪、葉片設(shè)計(jì)分別如圖1、圖2、圖3 所示。

圖3 達(dá)里厄垂直軸風(fēng)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)

4 ANSYS 仿真分析

本文在查閱大量資料后，得到列車(chē)進(jìn)出站時(shí)列車(chē)的平均車(chē)速。通過(guò)伯努力方程計(jì)算出的數(shù)值直接近似為活塞風(fēng)風(fēng)速，所以取平均風(fēng)速3 m/s 作為恒定風(fēng)速，在流場(chǎng)均一的情況下，進(jìn)行計(jì)算仿真。

首先在布朗操作下建立一個(gè)隧道的流場(chǎng)，設(shè)定前后均勻風(fēng)速為3 m/s，同時(shí)設(shè)置了一個(gè)環(huán)境函數(shù)，將隧道內(nèi)的溫度和其他因素設(shè)置為上文的假定條件，建立隧道的動(dòng)網(wǎng)格模型。速度云圖如圖4 所示。壓力云圖如圖5 所示。風(fēng)電機(jī)體矢量云圖如圖6 所示。

圖4 速度云圖

圖5 壓力云圖

圖6 風(fēng)電機(jī)體矢量云圖

由圖4、圖5 可知，風(fēng)速為3 m/s 的恒定風(fēng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)受力面能最大限度地接收活塞風(fēng)，葉尖速達(dá)到4 m/s，葉尖數(shù)比恒定。同時(shí)增加了迭代計(jì)算，如圖7所示，在計(jì)算中可以發(fā)現(xiàn)，在速度恒定的情況下，一開(kāi)始葉片的運(yùn)行速率很快，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，繼續(xù)增加迭代計(jì)算，曲線逐漸趨于周期化。

圖7 疊加計(jì)算示意圖

某一時(shí)刻的中心遠(yuǎn)點(diǎn)力矩變化示意圖如圖8、圖9所示。由圖8 可看出，在保持流場(chǎng)均一穩(wěn)定的情況下，葉片所受到的力矩正如圖9 力矩變化圖所展示的一樣，每個(gè)面較為均勻，由于選取了單面一點(diǎn)，因此在圖中會(huì)出現(xiàn)呈周期性的變化（一上一下）。在繼續(xù)進(jìn)行疊加計(jì)算后，后期的受力均勻更加明顯，變化幅度也會(huì)逐漸變小。

圖8 某一時(shí)刻的中心遠(yuǎn)點(diǎn)力矩變化示意圖1

圖9 某一時(shí)刻的中心遠(yuǎn)點(diǎn)力矩變化示意圖2

上述均是假設(shè)在隧道流場(chǎng)均一穩(wěn)定的情況下進(jìn)行的仿真模擬，然而在現(xiàn)實(shí)生活中，隧道的環(huán)境是復(fù)雜多變的，甚至是不可預(yù)測(cè)的。所以在設(shè)置的時(shí)候，加入了環(huán)境的自定義函數(shù)。模擬了一個(gè)復(fù)雜環(huán)境工況，進(jìn)行了10 000 次的迭代計(jì)算。結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)想，如圖10 所示。由于加入了隧道環(huán)境的不可控因素，曲線變得復(fù)雜很多，且呈現(xiàn)出不規(guī)則浮動(dòng)，原因可能是橫向風(fēng)在以高速吹向風(fēng)電機(jī)的時(shí)候，由于受到環(huán)境因素影響，改變了橫向風(fēng)在葉片上的切應(yīng)力，導(dǎo)致受力不均衡。因此在進(jìn)行受力分析和模擬時(shí)，不僅要加入一個(gè)工況，還需要對(duì)隧道進(jìn)行仔細(xì)勘查和對(duì)環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)。

圖10 UDF 情況下中心遠(yuǎn)點(diǎn)力矩變化示意圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)葉片的載荷計(jì)算，得出在實(shí)際情況下，葉片受到切應(yīng)力后會(huì)給葉片運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)一個(gè)很大的橫向力，仿真中也對(duì)應(yīng)了這一點(diǎn)，說(shuō)明在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，應(yīng)該在停用的隧道內(nèi)進(jìn)行不同的橫向風(fēng)測(cè)試，在測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)葉片的橫向切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，算出橫向風(fēng)對(duì)應(yīng)的攻角，合理安裝風(fēng)電機(jī)。穩(wěn)定風(fēng)在風(fēng)電機(jī)中的各個(gè)線速度符合葉片的載荷受力極限，葉片的旋轉(zhuǎn)速度也符合風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行情況。

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)的模擬仿真，得知它在隧道內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，改變不同的環(huán)境參數(shù)后，得到了與之前完全不一樣的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更加貼近實(shí)際，說(shuō)明運(yùn)用此種方法來(lái)進(jìn)行仿真比較可行。根據(jù)迭代計(jì)算10 000 次以后，葉片的承受載荷發(fā)生了變化，風(fēng)速也由原先的穩(wěn)定趨向不穩(wěn)定，達(dá)到4.3 m/s 時(shí)出現(xiàn)了動(dòng)平衡情況。

通過(guò)上述一系列的計(jì)算和分析，以及在ANSYS仿真過(guò)程中，證明有限元的精度計(jì)算滿足目前的設(shè)計(jì)需求，利用有限元來(lái)模擬不同環(huán)境不同工況的活塞風(fēng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是完全可行的，也為后續(xù)繼續(xù)對(duì)風(fēng)電機(jī)葉片進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供了方法和理論依據(jù)。