一種垂直軸螺旋形風力葉輪附近的三維湍流特征

楊敏官,王蔚峰,康 燦

(江蘇大學能源與動力工程學院,鎮江 212013)

傳統的垂直軸風力葉輪有升力型(Darrieus)和阻力型(Savonius)兩種類型:Darrieus風力葉輪的結構簡單、升力系數高,但啟動性能較差,尤其在低風速下很難啟動;Savonius風力葉輪的啟動性能好,但風能利用系數較低[1]。為了提高垂直軸風力機的效率,康燦等人采用螺旋形葉片替代傳統Savonius風力葉輪的結構,提高了垂直軸風力葉輪的風能轉化效率與運行穩定性[2-3];Irabu利用導流箱提高進入Savonius風力葉輪氣流的風速[4];M enet采用兩級布置方式來提高風力葉輪的風能轉換效率[5]。本文將提出一種新型的螺旋形升阻式風力葉輪,這種葉輪的設計從改變葉輪啟動性能和運行穩定性的角度出發,根據H型垂直軸風力葉輪的特點,選取FIN翼型作為組成葉片的基本翼型形狀,并將葉片設計為扭曲狀。數值模擬是目前分析風力葉輪氣動性能的有效手段之一。鄭云,吳鴻斌等人針對小型H型垂直軸風力葉輪模型,模擬分析了弦長對風力葉輪氣動性能的影響[6];金雪紅等人采用SST k-ω湍流模型對H型垂直軸風力機風輪周圍的流動進行了二維數值模擬,在不同風速條件下對比分析了風力葉輪附近的關鍵流動參數分布[7]。雖然這些數值模擬在邊界條件、近壁面區域流動處理、模擬精度等方面尚存在著不足,但在流場的定性預測與流動形態的描述方面具有獨特的優點。本文將運用CFD技術對葉輪附近的流場進行三維非定常數值模擬,通過對提出的螺旋形升阻式風力葉輪進行的模擬,探討沿葉輪高度方向的流動特征和葉片扭曲角度對葉輪的氣動性能的影響。

1 葉輪幾何模型

螺旋形垂直軸風力葉輪的設計,建立在Darrieus垂直軸風力葉輪的結構特點和運行特性的基礎上。該葉輪中包含三個均勻布置在葉輪軸心線周圍的葉片,葉片的周向間隔呈120°,可以減輕扭矩波動對風力機運行的影響達到良好的平衡性。葉片的基本截面采用FIN翼型(圖1),即葉片由基本截面沿以旋轉軸為中心的螺旋線均勻掃掠得到,為了分析不同葉片扭角下的力矩系數,模擬中葉片的螺旋角分別取30°,60°,90°和120°。為了分析流場,沿葉片高度取三個截面(S1,S2, S3),截面距離葉輪底部截面的垂直距離h與葉輪高度H的比例分別為0.75,0.50,0.25(見圖2)。

圖1 FIN翼型

圖2 葉片模型

由于葉輪轉子并不對稱,從迎風方向來看氣流作用在葉輪的作用力有差別,對葉輪的作用效果等同于產生了一個繞中心軸的扭矩。

2 數值模擬

螺旋形垂直軸風力葉輪的采用商用軟件Fluent作為數值模擬的平臺,應用三維雷諾平均的Navier-Stokes方程(RANS)和不同湍流模型進行數值模擬和結果對比。模擬采用SST k-ω湍流模型,該模型以基本k-ω湍流模型為基礎,并結合了k-ε湍流模型的優點,能夠模擬包含較大尺度分離的流動,模型的穩定性和收斂性大大提高,并且對自由來流的湍流度不敏感。

基本模型方程:

式中:Gk為湍流的動能;Gω為ω方程;Γk和Γω分別為k與ω的有效擴散項;Yk和Yω分別為k與ω的發散項;Dω為正交發散項。

有效擴散項方程:

式中:σk,σω,分別為k與ω的湍流普朗特數。

邊界條件將來流速度設為8m/s;定義進口邊界為均勻速度入口,出口邊界為自由出流;采用滑動網格技術,轉動的風力葉輪與其周圍流場的交接面設置為Interface。速度項和壓力項的耦合采用SIMPLE算法,動量方程的離散采用二階迎風離散格式,非定常的模擬計算中使用二次時間步長迭代方程。

3 計算結果分析

利用數值模擬可以得到葉輪附近的三維流場,根據模擬得到的三維流場可以分析葉輪附近的流速分布、壓力系數分布以及不同葉片扭角下的力矩系數,從中發現隨著葉輪高度的變化,葉輪內的氣流擴散區大不相同,壓力系數分布也逐漸減小,葉輪最佳的葉片扭角為90°。

3.1 葉輪附近的三維流場

1)流速分布 對于葉片扭曲角度為60°的風力葉輪的來說,當風力葉輪達到最大力矩系數時,在同一風速和葉輪轉速條件下,三個不同截面上速度分布的模擬結果見圖3。從圖中可以看出,葉輪的內部區域的流動較為復雜,具有典型的非定常性和非線性,并且各個葉片間存在強烈的干擾;氣流發生對流,有動量的轉換和能量的傳遞。從上至下比較葉輪三個不同斷面下的流場,可以看到隨著扭轉角度的變化,左端的葉片翼型下端的最小速度區域將逐漸減小,尾緣的速度也將逐漸變小。通過葉輪三個不同斷面下的流場比較,還可以看到右端葉片翼型S1斷面,葉片頭緣及下方有一大小與翼型弦長相當的速度場,速度場隨著扭轉角度的變化逐漸減小,到最下面的斷面S3時已經完全消失;最下端葉片翼型前緣的速度區域將隨扭轉角度的改變逐漸增大,氣流速度明顯升高,尾緣的最小速度區域向后擴散,速度逐漸增大,在S3斷面獲得較高值;即這些變化也與葉片的扭曲有關。圖4還表明,隨著氣流遠離葉片內部流速度逐漸相接近。引起這種現象的主要原因是各個氣流之間的風速梯度引起附加的切變湍流,這些湍流有助于氣流的動量轉換,導致氣流混合擴散,葉輪內部氣流的速度差異逐漸得到消除。

圖3 三個截面的流場速度等值線圖

2)壓力系數分布 當風力葉輪具有最大力矩系數時,三個截面壓力分布的模擬結果見圖4,圖中取葉輪弦長是為 360 mm。從圖中可以看出:這些斷面翼型壓力面上的壓力系數分布特點基本相同,例如在前緣附近達到最大值,從前緣至后緣壓力逐漸降低;吸力面在距前緣弦長15%處達到最小值,隨后逐漸升高。由于翼型上下面的壓力差構成了翼型的升力,而前緣和后緣的壓差值則形成了翼型壓差旋轉力,葉片在這些力的共同作用下就會發生旋轉。由于這種翼型的前緣曲率較大,對氣流具有較強的加速性能,因此流體加速后表面壓力系數下降。又因為翼型的后緣相當于曲率收縮段,具有擴壓減速性能,因此吸力面后緣處的壓力系數明顯的上升。對不同斷面的壓力系數進行對比,可以看到S3斷面吸力面的系數最小,壓力面和吸力面的壓差較大,具有很好的升力效果;S2斷面次之;S1斷面最差。這也表明葉輪在垂直方向葉輪底部產生的壓差較大,升力作用較大,而上半部分壓差較小,升力作用不如底部。

3.2 不同葉片扭角下的力矩系數

圖5為風力葉輪旋轉一周,葉片翼型在各個角度的受力分布。由于各個位置處的合成速度和入流角的不同,空氣動力的合力F也不一樣,因此風力葉輪在所有位置上都會產生一個使葉輪旋轉的轉矩,又因為在一周的旋轉中葉片入流角是不斷變化的,所以葉片引起的轉矩是波動的。圖中葉片翼型在B,C和D三點將產生驅動風力葉輪旋轉的正力矩,而在A點翼型將產生負力矩對葉輪的旋轉有阻礙作用。將葉片設計呈扭曲形狀,同一葉片上不同翼型斷面受力不盡相同,可以有效地改變翼型上產生的負力矩,并在轉動過程中阻力會逐漸轉化為驅動風力葉輪旋轉的動力。

圖4 不同斷面翼型的壓力系數分布

圖5 翼型不同角度下的受力分布

葉片扭角分別為30°,60°,90°和120°的四個葉輪,在一個葉輪旋轉周期內的力矩系數分布見圖6。從圖中可以看出,力矩系數波動變化,扭角越大、力矩系數波動的幅度越小。其中葉片扭角為30°和60°的葉輪做功能力較強,但是力矩的波動也較大,因此運行穩定性較差,特別是負力矩部分也較大,不利于葉輪的旋轉做功。葉片扭角為90°的風機,力矩波動幅度較小,風力機運行穩定,而且產生的力矩大部分為正,負力矩相對較小,效率較高。葉片扭角為120°的葉輪雖然沒有負力矩,但是正力矩太小做功能力太差。

4 結論

1)提出了垂直軸螺旋形垂直軸風力葉輪,并對斷面翼型在不同迎風角度下的受力特征進行了分析。風力葉輪在不同位置時,葉片所受的空氣動力會產生一個使葉輪旋轉的轉矩。

圖6 不同葉片扭角的力矩系數分布

2)在最大力矩系數條件下,沿葉輪高度方向取三個不同截面,各個葉片翼型周圍的速度場隨葉片扭轉角度的改變相差較大,各個葉片之間的氣流存在強烈的干擾,發生了氣流的動量轉換和能量傳遞;在三個從上至下的斷面上,翼型上下表面的壓差逐漸減小,升力作用也相對減小。

3)基于不同扭角條件下,葉輪力矩系數分布不同,隨著扭角的增大而減小,而且扭角越大,力矩系數的波動幅度越小,當扭角為90°時,力矩波動幅度較小,并且正力矩系數遠大于負力矩系數,有利于風輪的旋轉,運行相對穩定。

[1] 賀徳馨.我國風工程研究現狀與展望[J]力學與實踐,2002, 24(4):10-19.

[2] Kang Can,et al.Com parison study of a vertical-axis spiral Rotor and a conven tional savonius rotor[C]//Proceedings of Asia-Pacific Pow er and Energy Engineering,Chengdu, China,M arch 28-30,2010.

[3] Zhang Feng,Kang Can,et al.Ex periment and performance evaluation of a new vertical-axis spiral rotor[C]//P roceedingsof asia-pacific pow er and energy engineering,chengdu, China,2010.

[4] Kunio Irabu,Jitendro Nath Roy.Characteristics of wind pow er on Savionius rotor using a guide-box tunnel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007(32):580-586.

[5] M enet J L.A double-step savonius rotor for local production of electricity:a design study[J].Renew able Energy, 2004,29:1843-1862.

[6] 鄭 云,吳鴻斌,杜堂正,等.基于葉片弦長的小型H型垂直軸風機氣動性能分析[J].機械設計與制造,2009,5(5): 190-192.

[7] 金雪紅,梁武科,李 常,等.風速對垂直軸風力機風輪氣動性能的影響[J].流體機械,2010,4(38):45-49.