整流式垂直軸阻力型風力機性能的數值研究

王治云，李 猛，楊 茉

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

為了合理利用豐富的風能資源，各種結構類型的風力機被提出來[1]。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機據有很多潛在的優勢。垂直軸風力機可進一步被分成二個不同的類型，升力型和阻力型[2]。相對于垂直軸升力型，垂直軸阻力型風力機還具有更優良的性能，比如更低的氣動噪聲；在低風速狀態下的高扭矩；能抵御更極端的風。但是較低的風能利用率是后者最大的短板，這也是限制垂直軸風力機應用的一個重要原因[3-4]。

近年來，國內外已經在垂直軸阻力型風力機的數值模擬研究和實驗研究方面取得了較大的進展[5]。Alam等人[6]設計了一種Savonius風輪在上，直線翼垂直軸風力機在下的組合型風力機。Chong等人[7]設計了一種安裝在垂直軸風力機周圍擋風板性質的聚風裝置。曲建俊等人設計了一種活固葉片的升阻復合型垂直軸風力機。

本文對某型垂直軸阻力型風力機在不同風葉數、不同導流葉片數和不同尖速比下的工作流場進行了數值模擬，檢測了壓力場與速度場，得出了不同情況下該風機的工作性能，并得到了該型風力機效率最高時對應的風葉數和導流葉片數的組合。

1 計算模型和計算方法

1.1 計算模型和網格劃分

圖1 二維風力機計算模型

圖2 計算區域示意

1.2 計算方法

在涉及垂直軸風力機CFD模擬的研究中，學者多采用SST k-ω湍流模型及其衍生模型計算，本研究亦采用SST k-ω湍流模型?？刂品匠滩捎门c文獻相同的二維雷諾平均守恒型N-S方程。采用SIMPLE算法求解壓力和速度的耦合方程。湍流動能、湍流耗散率及動量方程的差分格式均采用二階迎風差分格式，時間差分為二階隱式差分。運用網格滑移技術對轉動的風力機二維流場進行非定常模擬。初始時刻，所有固體壁面靜止，整場空氣流速均勻分布，大小與入口速度大小一致。計算時間步長取值0.001s。

1.3 模擬結果與分析

1.3.1 不同風葉，導流葉片數量組合對Cp的影響

尖速比是用來表述風力機特性的一個十分重要的參數。風葉輪葉片尖端線速度與風速之比稱為尖速比(λ)；葉片越長或者葉片轉速越快，同風速下的λ就越大。在風力機迎風方向上安裝弧形導流葉片，可以改變葉輪周圍的流場特性，有效減少葉輪在迎風的半個周期內所產生的負力矩，提高風力機效率。W代表導流葉片數量，N代表風葉數量；為了研究導流葉片數和風葉數對風力機效率的影響，本文對N=5、7、9、11、13；W=10、12、14、16、18的風力機性能進行了模擬研究。下圖顯示了上述每種風力機的最大風能利用系數與N，W的對應關系?？煽闯觯擭=7，W=16時本型風力機風能利用系數取得最大值，最大值為15.5%。

圖3 Cp與不同N，W關系匯總曲線

1.3.2 流場對比分析

當風力機的A風葉轉動到θ=0度的位置時，如下圖6渦量場所示。相對于N=7，W=16型風力機；N=7，W=10型風力機由于導流葉片數量稀疏，A風葉左側相鄰兩導流葉片之間相互影響小，導流葉片左沿生成的渦體量較大，易與A風葉遠心端生成的渦聚合；聚合形成的更大體量渦會在速度場以及A風葉繞軸轉動的影響下進入A風葉的凹側，最終在A風葉旋轉到θ=75度附近脫離葉片。N=7，W=18型風力機，迎風側做功區均勻陣列的導流葉片形成的導流方向與風葉在導流葉片附近的速度切線夾角過小，使得導流葉片處產生的分離渦與A風葉遠心端生成的渦易聚合并進入A風葉凹側。 由于在此運轉區間N=7，W=10；N=7，W=18型風力機A風葉凹側分離渦體量較N=7，W=16型要大，阻礙了氣流的進入，從而降低了氣流對A風葉所做的正功。這與壓力云圖上，除N=7，W=16型風力機A風葉凹處完全被高壓覆蓋，其他兩種風力機A風葉凹處近心端壓力均偏低的現象相符合。

當風力機的A風葉轉動到θ=126度的位置時，如下圖7所示，三種風力機A風葉左側都有G葉片對來流的嚴重阻擋；分離渦的撞擊成為A風葉做正功的主要驅動力。N=7，W=16型風力機A風葉左下方兩導流葉片前者產生的分離渦在后者的導流下向右上方流動，沖擊A風葉凹處從而在A風葉凹側形成較高壓力，驅動A風葉的轉動。N=7，W=10型風力機，由于A風葉下方兩導流葉片間距過大，導致后導流葉片對前導流葉片分離渦的導流效果差，前導流葉片分離渦向右下方流動脫離了風力機，降低了A風葉做正功的能力。N=7，W=18型風力機由于A風葉下方導流葉片間距過小，多個導流葉片的分離渦發生聚合，并在速度場的影響下向右下方流動，降低了A風葉的做功能力。

圖4 三種結構風力機的A風葉，同周期運行到θ=36度位置的壓力分布圖及區間內渦量云圖

圖5 三種結構風力機的A風葉，同周期運行到θ=126度位置的渦量分布圖及壓力分布圖

3 結論

本文對不同風葉數，導流葉片數組合的某型風力機進行數值模擬研究，分析了風力機附近渦量場及壓力場的分布情況，得到了風能利用系數隨尖速比、風葉數量，導流葉片數量等的變化規律。風能利用系數的主要影響因素是尖速比，不同風葉數，導流葉片數組合的該型風力機皆在尖速比為0.55附近達到最大值，最佳的風葉和導流葉片組合為風葉數為7，導流葉片數為16，風能利用系數最高可達到15.51%。當導流葉片數小于16時，迎風側做功區導流葉片邊緣的分離渦發展較充分體量較大，易與風葉遠心端的分離渦發生聚合，進而阻礙了氣流進入風葉凹側做功；迎風側阻力區由于導流葉片間隙過大導致相鄰葉片的分離渦不能相互聚合來阻擋氣流對風葉凸側的沖擊，增大了風葉凸側產生的阻力。當導流葉片數量大于16時，迎風側做功區均勻陣列的導流葉片形成的導流方向與風葉在導流葉片附近的速度切線夾角過小，使得導流葉片產生的分離渦與風葉遠心端產生的渦聚合程度高。這些渦結構改變了風葉表面的壓力分布，導致風葉做功能力下降。