新型鏈傳動(dòng)式風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬

齊曉慧,宋力,田瑞,李軍利,張慶祝

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特010051)

鏈傳動(dòng)式風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置是一種新型風(fēng)力機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝維修、工藝簡(jiǎn)單、成本低、啟動(dòng)風(fēng)速低、功率輸出平穩(wěn)、風(fēng)能利用系率高等特點(diǎn)。本文用Fluent軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)整機(jī)在8 m/s以下的不同風(fēng)速工況進(jìn)行氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬計(jì)算,仿真葉片氣動(dòng)流場(chǎng)流態(tài),觀察其葉片表面壓強(qiáng)分布、流速分布、湍流強(qiáng)度、流速矢量等流態(tài)圖,并計(jì)算新型鏈傳動(dòng)式風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù),與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬的可靠性。

1 鏈傳動(dòng)式風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

鏈傳動(dòng)式風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的葉片采用鐵片和其他材料制作,葉片一端固定在葉片轉(zhuǎn)軸上,轉(zhuǎn)軸通過(guò)小軸和軸承與鏈條連接,葉片另一端與葉片束縛部件連接,2對(duì)同型號(hào)的齒輪分別安裝在2根水平轉(zhuǎn)軸上,2個(gè)鏈條各自安裝在垂直于轉(zhuǎn)軸方向的一對(duì)鏈輪上,下部齒輪的能量輸出軸聯(lián)接轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)電機(jī)(圖1)[1-2]。

1.2 工作原理

風(fēng)以一定速度的吹過(guò)本裝置時(shí),柔性葉片會(huì)自動(dòng)彎曲(圖2)此時(shí)第一層葉片會(huì)受到風(fēng)壓向上的作用力,風(fēng)經(jīng)過(guò)第一層葉片,改變方向,繼續(xù)作用第二層葉片,使其仍然彎曲產(chǎn)生向下的作用力,這樣,兩層葉片所受到的作用力方向相反,葉片再通過(guò)小軸把力傳給鏈條,使環(huán)狀鏈條向一致的方向運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,并且在能量輸出軸上輸出驅(qū)動(dòng)力矩,發(fā)電機(jī)在此力矩的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電[3]。

圖1 新型風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 彎曲葉片受力示意圖

2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運(yùn)方程為:

式中:ε為湍動(dòng)耗散率;μi為湍動(dòng)粘度;Gk為有余平均速度梯度引起的湍動(dòng)能κ產(chǎn)生項(xiàng)為由于浮力引起的湍動(dòng)能κ產(chǎn)生項(xiàng),為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);C1ε,C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù) ;σk和 σε分別為湍動(dòng)能κ和耗散率ε對(duì)應(yīng)的 Prandtl數(shù),Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)。[4]

標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型由 Launder和Spalding提出,模型假定湍流為各向同性的均勻湍流,本身具有的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和比較高的計(jì)算精度。

3 建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

3.1 幾何建模

本課題風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)為:額定風(fēng)速為8 m/s,風(fēng)速范圍2～ 12 m/s,啟動(dòng)風(fēng)速2.56 m/s,切出風(fēng)速12.0 m/s。葉片長(zhǎng) l取0.5 m,葉片寬h取0.145 m,葉片厚0.002 m。

整機(jī)幾何建模包括:葉片建模,導(dǎo)流罩建模,第一層葉片流體建模,第二層葉片流體建模,導(dǎo)流罩流體建模,以及整機(jī)風(fēng)場(chǎng)建模,見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)力機(jī)風(fēng)場(chǎng)幾何建模

其中葉片原型為鐵質(zhì)直葉片,在8 m/s以下的風(fēng)速范圍內(nèi),葉片變形輕微建模時(shí)可以簡(jiǎn)化為理想的平板葉片模型;導(dǎo)流罩長(zhǎng) 0.60 m,寬0.65 m,高1.8 m;風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)6 m,寬2 m,高3 m。為了減少網(wǎng)格節(jié)約計(jì)算時(shí)間,令計(jì)算關(guān)心的內(nèi)域網(wǎng)格數(shù)較密集,外域網(wǎng)格較稀疏,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為447 324,其中網(wǎng)格質(zhì)量(Equi Angle Skew)在0.2～0.6之間的占96.65%,說(shuō)明生成的網(wǎng)格質(zhì)量符合要求,可以進(jìn)行計(jì)算。

3.2 邊界條件設(shè)定

本次三維模型的氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算,采用分離式求解器(Segregated),三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)(3D,Steady),絕對(duì)速度(Absolute),隱式求解(Implicit),標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。流體材料設(shè)為空氣,密度 ρ取1.2 kg/m3;動(dòng)量采用二階迎風(fēng)離散格式(Second Order Up-wind);壓力和速度耦合采用 SIMPLE算法。速度進(jìn)口取8.00 m/s;同時(shí)計(jì)算變工況下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬,風(fēng)速變化為3.36,3.72,3.86,4.13,5.46,5.95,7.08,8.00 m/s;出口壓力為0 Pa。

MRF模型(Multiple Reference Frame Model)稱為復(fù)合坐標(biāo)系模型,是Fluent軟件提供的一種解決靜止和運(yùn)動(dòng)區(qū)域并存問(wèn)題的方法,它允許將整個(gè)計(jì)算域分成多個(gè)小的子域,每個(gè)子域可以有自己的運(yùn)動(dòng)方式,或靜止,或旋轉(zhuǎn),或平移;本文的第一層葉片移動(dòng)流體采用MRF模型,2.826 m/s;第二層葉片移動(dòng)流體也采用MRF模型,-2.826 m/s。葉片壁面為移動(dòng)壁面 ,相對(duì)移動(dòng)速度0。對(duì)近壁面區(qū)采用壁面函數(shù)法。在粘性流動(dòng)中壁面處默認(rèn)為非滑移邊界條件。

4 計(jì)算結(jié)果與分析討論

4.1 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行不同風(fēng)速工況下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算收斂結(jié)束后 ,對(duì)各個(gè)工況下風(fēng)力機(jī)的繞軸旋轉(zhuǎn)扭矩輸出并記錄在案,然后對(duì)記錄數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,得到風(fēng)能利用系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線,最后與實(shí)驗(yàn)值做對(duì)比,見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)能利用系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系

從圖4中可以看出,在風(fēng)速低于8 m/s時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速變化的趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)基本相同,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差在20%范圍內(nèi)。由此可以得出,在風(fēng)速低于8 m/s的范圍內(nèi),通過(guò)簡(jiǎn)化后的理想平板葉片的數(shù)值模擬計(jì)算可以預(yù)測(cè)該風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。

4.2 整機(jī)及其局部的特性、現(xiàn)象及分布特點(diǎn)

圖5-圖10為整機(jī)典型軸截面和局部葉片流線、氣動(dòng)壓力、流速、湍流和流速矢量圖。

由圖5入口某點(diǎn)的流線圖和圖9葉片速度矢量圖可以看出,用Fluent模擬氣流的流動(dòng)狀態(tài)是符合風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況的。

由圖5和圖6典型軸截面的壓強(qiáng)和速度分布圖,以及圖8和圖9上、下游葉片正面壓力和背面壓強(qiáng)分布圖可以看出,風(fēng)以一定速度的吹過(guò)本裝置時(shí),第一層葉片受到風(fēng)壓向上的作用力,第二層葉片受到風(fēng)壓向下的作用力,與實(shí)驗(yàn)中風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受力情況相符合。

圖5 入口某點(diǎn)流線

圖6 Z=0截面壓強(qiáng)分布圖

圖7 Z=0截面速度分布圖

圖8 上游葉片正面、背面壓強(qiáng)分布圖

圖9 下游葉片正面、背面壓強(qiáng)分布圖

圖10 葉片速度矢量圖

5 結(jié)論

新型鏈傳動(dòng)式風(fēng)力機(jī)在8 m/s以下的風(fēng)速范圍內(nèi),葉片變形量很小,故在數(shù)值模擬計(jì)算中可以簡(jiǎn)化為理想的平板葉片,通過(guò)對(duì)新型鏈傳動(dòng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行三維幾何建模和網(wǎng)格劃分以及在8 m/s以下的不同風(fēng)速工況進(jìn)行氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算分析可以得出如下結(jié)論。

(1)從風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算得出的風(fēng)能利用系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系曲線變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,計(jì)算結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近,說(shuō)明這種風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算和仿真是可靠的、可行的。

(2)觀察其葉片表面以及整機(jī)的壓強(qiáng)分布、流速分布、湍流強(qiáng)度、流速矢量等流態(tài)圖,可以直觀和感性地認(rèn)識(shí)和觀察葉輪和整機(jī)氣動(dòng)特性和流動(dòng)現(xiàn)象,以及其壓力、流速等重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)的分布特點(diǎn),并能很好地觀察葉片以及整機(jī)周圍的流場(chǎng)分布。

(3)由于風(fēng)機(jī)葉片為柔性葉片,在風(fēng)速作用下會(huì)有彎曲變形,而且隨著風(fēng)速增大變形量會(huì)變大,比較模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為在風(fēng)速超過(guò)8 m/s時(shí),葉片計(jì)算模型不能采用平板葉片的形式。

(4)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)參考和分析有利于研究風(fēng)力機(jī)葉片和整機(jī)氣動(dòng)性能和運(yùn)行工況,運(yùn)用仿真研究成本低、周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù)和模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài),為新型鏈傳動(dòng)式風(fēng)力機(jī)葉片及整機(jī)的設(shè)計(jì)、改型和研發(fā)工作提供技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)意見(jiàn)。

[1]王陽(yáng),田瑞,李志川.鏈傳動(dòng)式新型風(fēng)力發(fā)電裝置的動(dòng)力性能研究[J].能源工程,2008(2):28-30.

[2]王陽(yáng).新型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)及其動(dòng)力性能試驗(yàn)研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2008.

[3]叢雨,田瑞,林麗華.鏈傳動(dòng)式風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置理論模型的研究[J].可再生能源,2009(8):18-23.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.