相同葉尖速比不同轉(zhuǎn)速的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能分析

黃鵬+王宏光

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能.結(jié)果表明，在來流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類號： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點是可以接受任何方向的風(fēng)，無需對風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動是典型的非定常流動，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場.本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時垂直軸風(fēng)力機(jī)流場特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場的主要因素.

1建模與數(shù)值計算

1.1簡化與建模

對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對葉輪周圍的流場影響，因此建立的2D簡化模型如圖1所示.

1.2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域如圖2所示.整個計算區(qū)域為圓形，分為3個部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對葉片周圍的網(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運動區(qū)域，翼型周圍采取橢圓形法畫結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過驗證得到坐標(biāo)的無因次距離y+滿足1≤y

1.3計算條件設(shè)定

計算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對葉輪流場進(jìn)行瞬態(tài)計算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動量項、湍動能耗散率以及湍動能項均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計算時間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋砹魉俣龋?VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對來流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動呈周期性變化，即葉尖速比一定時攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時，-14.4°

可見，葉片在某方位角下的相對速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動情況.

2.2數(shù)值計算結(jié)果與分析

量值差別過大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時的情況.這是由于在半徑較小時，葉輪以更高的角速度完成一個周期，導(dǎo)致周圍更小范圍內(nèi)流場的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時需考慮離心力對翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢相同，最大值基本沒有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場會有更加明顯的差別.

2.3流場中尾跡渦對翼型氣動性能影響

為了進(jìn)一步說明流動中尾跡渦對翼型氣動性能的影響，對比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運動出渦帶.通過對比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對翼型氣動性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過程中葉片壓力分布沒有明顯變化，說明單條渦帶對葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場渦量與翼型局部渦量對比圖.由圖12（a）、（b）對比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場中的脫落渦渦量更是在102以內(nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，流場中尾跡渦對葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來自于3個方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

[1]張國銘.論建造兆瓦級垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的合理性[J].水利電力施工機(jī)械，1995，17（4）：32-36.

[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.

[3]于沖，王旭，董福安，等.y+值對翼型氣動參數(shù)計算精度的影響研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，13（3）：25-29.

[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計與非定常流動分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能.結(jié)果表明，在來流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類號： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點是可以接受任何方向的風(fēng)，無需對風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動是典型的非定常流動，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場.本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時垂直軸風(fēng)力機(jī)流場特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場的主要因素.

1建模與數(shù)值計算

1.1簡化與建模

對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對葉輪周圍的流場影響，因此建立的2D簡化模型如圖1所示.

1.2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域如圖2所示.整個計算區(qū)域為圓形，分為3個部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對葉片周圍的網(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運動區(qū)域，翼型周圍采取橢圓形法畫結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過驗證得到坐標(biāo)的無因次距離y+滿足1≤y

1.3計算條件設(shè)定

計算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對葉輪流場進(jìn)行瞬態(tài)計算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動量項、湍動能耗散率以及湍動能項均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計算時間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋砹魉俣龋?VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對來流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動呈周期性變化，即葉尖速比一定時攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時，-14.4°

可見，葉片在某方位角下的相對速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動情況.

2.2數(shù)值計算結(jié)果與分析

量值差別過大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時的情況.這是由于在半徑較小時，葉輪以更高的角速度完成一個周期，導(dǎo)致周圍更小范圍內(nèi)流場的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時需考慮離心力對翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢相同，最大值基本沒有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場會有更加明顯的差別.

2.3流場中尾跡渦對翼型氣動性能影響

為了進(jìn)一步說明流動中尾跡渦對翼型氣動性能的影響，對比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運動出渦帶.通過對比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對翼型氣動性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過程中葉片壓力分布沒有明顯變化，說明單條渦帶對葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場渦量與翼型局部渦量對比圖.由圖12（a）、（b）對比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場中的脫落渦渦量更是在102以內(nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，流場中尾跡渦對葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來自于3個方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

[1]張國銘.論建造兆瓦級垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的合理性[J].水利電力施工機(jī)械，1995，17（4）：32-36.

[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.

[3]于沖，王旭，董福安，等.y+值對翼型氣動參數(shù)計算精度的影響研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，13（3）：25-29.

[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計與非定常流動分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能.結(jié)果表明，在來流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類號： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點是可以接受任何方向的風(fēng)，無需對風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動是典型的非定常流動，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場.本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時垂直軸風(fēng)力機(jī)流場特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場的主要因素.

1建模與數(shù)值計算

1.1簡化與建模

對直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對葉輪周圍的流場影響，因此建立的2D簡化模型如圖1所示.

1.2計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域如圖2所示.整個計算區(qū)域為圓形，分為3個部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對葉片周圍的網(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運動區(qū)域，翼型周圍采取橢圓形法畫結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過驗證得到坐標(biāo)的無因次距離y+滿足1≤y

1.3計算條件設(shè)定

計算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對葉輪流場進(jìn)行瞬態(tài)計算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動量項、湍動能耗散率以及湍動能項均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計算時間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋砹魉俣龋?VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對來流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動呈周期性變化，即葉尖速比一定時攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時，-14.4°

可見，葉片在某方位角下的相對速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動情況.

2.2數(shù)值計算結(jié)果與分析

量值差別過大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時的情況.這是由于在半徑較小時，葉輪以更高的角速度完成一個周期，導(dǎo)致周圍更小范圍內(nèi)流場的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時需考慮離心力對翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢相同，最大值基本沒有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場會有更加明顯的差別.

2.3流場中尾跡渦對翼型氣動性能影響

為了進(jìn)一步說明流動中尾跡渦對翼型氣動性能的影響，對比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運動出渦帶.通過對比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對翼型氣動性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過程中葉片壓力分布沒有明顯變化，說明單條渦帶對葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場渦量與翼型局部渦量對比圖.由圖12（a）、（b）對比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場中的脫落渦渦量更是在102以內(nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，流場中尾跡渦對葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來自于3個方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

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[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計與非定常流動分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.