Savonius風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能模擬與分析

曲寶麟 桂小紅 程魯康 高日鵬 施永博 李舜堯 宋增光

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

近年來(lái)，能源問(wèn)題愈加被重視，對(duì)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用變得迫在眉睫。目前，研究風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的方法有數(shù)值模擬計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)場(chǎng)測(cè)試等，其中，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與風(fēng)場(chǎng)測(cè)試是研究風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能最直接明顯的方法?？紤]到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與風(fēng)場(chǎng)測(cè)試受試驗(yàn)條件和技術(shù)水平限制，成本高、周期長(zhǎng)。因此，理論計(jì)算在風(fēng)力機(jī)初設(shè)階段的性能分析中發(fā)揮了重要作用[1-4]。

本文使用商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件FLUENT對(duì)Savonius風(fēng)力機(jī)(圖1)空氣流域進(jìn)行計(jì)算分析，得到壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等云圖，直觀分析其氣動(dòng)性能，從而為Savonius風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

圖1 Savonius風(fēng)力機(jī)外形

1 計(jì)算模型的參數(shù)和建模過(guò)程

經(jīng)考慮實(shí)際情況，假設(shè)風(fēng)機(jī)額定輸出功率為80W，設(shè)計(jì)風(fēng)速為10m/s，轉(zhuǎn)速為356rad/min，葉片總高度為1000mm，葉片直徑為250mm，葉片厚度為10mm，轉(zhuǎn)軸直徑為60mm的Savonius風(fēng)力機(jī)二維模型。設(shè)來(lái)流速度為10m/s。模型如圖2所示。

圖2 葉片二維模型

通過(guò)CAD對(duì)葉片建模，導(dǎo)入ICEM對(duì)半圓形葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并定義邊界和密度。依據(jù)葉片大小，在葉片的表面生成一個(gè)風(fēng)洞，風(fēng)洞的形狀為長(zhǎng)方形。

將工作段直接從葉片處延伸到遠(yuǎn)處，這樣具備較好的計(jì)算精度，因?yàn)轱L(fēng)動(dòng)限制了葉片周?chē)鷼怏w的運(yùn)動(dòng)，對(duì)模擬精度有一定程度的影響。設(shè)葉片中心與來(lái)流入口距離為1000mm，與來(lái)流出口距離為4000mm。

先確定葉片和風(fēng)洞各點(diǎn)的位置，將點(diǎn)連接成線，在風(fēng)洞表面生成面，將風(fēng)洞與葉片之間的面減去，拓?fù)錂z查幾何形狀是否丟失，在風(fēng)洞表面生成一個(gè)Block，再對(duì)Block進(jìn)行切分，切分出葉片的形狀并刪除相應(yīng)的Block，對(duì)風(fēng)洞、葉片邊界與Block進(jìn)行點(diǎn)和線的關(guān)聯(lián)，對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑紤]到計(jì)算機(jī)性能，將節(jié)點(diǎn)間距調(diào)整為較小，在保證網(wǎng)格數(shù)量的基礎(chǔ)上，提高計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查調(diào)整，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，使之滿足計(jì)算要求，整個(gè)風(fēng)洞網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，葉片周?chē)木W(wǎng)格劃分如圖4所示。劃分網(wǎng)格后定義邊條件,將風(fēng)力機(jī)的葉片和轉(zhuǎn)軸定義為wall,風(fēng)洞表面定義為FLUID。最后保存為mesh文件備用。

圖4 葉片周?chē)木W(wǎng)格

2 流動(dòng)控制方程

本研究中數(shù)值模擬對(duì)象為低速流動(dòng)下葉片周?chē)姆嵌ǔＡ鲌?chǎng)，可以不計(jì)算能量方程[3]。

忽略熱傳遞的影響，且假設(shè)風(fēng)機(jī)葉片周?chē)鷼怏w不可壓縮。數(shù)值模擬的基本方程為不可壓縮的非定常二維N-S方程[4]:

湍流模型采用κ-ε低雷諾數(shù)雙方程湍流模型[4]：

其中，κ為湍動(dòng)能，ε為湍流耗散量。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

選擇二維單精度處理。同時(shí)對(duì)重疊、不規(guī)則排列的網(wǎng)格進(jìn)行交換處理。定義湍流模型為具有非平衡壁面函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型。

對(duì)葉片進(jìn)行設(shè)置時(shí)將其選定為旋轉(zhuǎn)壁面形式，運(yùn)動(dòng)方式為相對(duì)原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以37rad/s的角速度旋轉(zhuǎn)，將求解方式設(shè)置為二階迎風(fēng)格式，計(jì)算采用基于有限體積法的simple系列算法。將殘差收斂級(jí)數(shù)設(shè)為0.000001進(jìn)行迭代計(jì)算。迭代收斂后的結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 殘差收斂圖示

圖6 扭矩收斂圖示

4 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)約3000次的迭代運(yùn)算，殘差和扭矩的誤差都低于設(shè)定值。依據(jù)后處理軟件，可得流場(chǎng)及葉片周?chē)乃俣仍茍D和壓力云圖。選擇整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域display壓力云圖和速度云圖，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 壓力分布云圖

圖8 速度分布云圖

從圖7可以看出葉片處的壓力波動(dòng)較大。左側(cè)葉片等壓面要大于右側(cè)葉片的等壓面，左側(cè)葉片迎風(fēng)側(cè)壓力較大，最大值為1.89e+03Pa；葉片背風(fēng)側(cè)較小，最小值為-1.80e+03Pa。故而形成壓力差，使其繞中心轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖8可得Savonius風(fēng)力機(jī)葉片所在的區(qū)域速度較小，而速度梯度較大，即葉片左右兩側(cè)向轉(zhuǎn)軸中心流速遞減。

圖9、圖10為速度矢量圖，通過(guò)分析可知：流體在抵達(dá)葉片之前，流速穩(wěn)定，在抵達(dá)葉片后，流速發(fā)生顯著變化。速度矢量分布圖相對(duì)穩(wěn)定，具有較小的扭矩系數(shù)，故該風(fēng)機(jī)葉片的風(fēng)能利用率較低。

圖9 速度矢量圖

圖10 葉片周?chē)俣仁噶繄D

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種適合低風(fēng)速啟動(dòng)的小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，針對(duì)Savonius阻力型風(fēng)力擾流流動(dòng)特點(diǎn)，運(yùn)用ICEM進(jìn)行了二維建模及網(wǎng)格劃分，Savonius風(fēng)力機(jī)葉片的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，通過(guò)對(duì)其氣動(dòng)性能進(jìn)行分析后得到以下結(jié)論:

1）風(fēng)流在抵達(dá)葉片之前速度急劇降低，在葉片的迎風(fēng)面處的風(fēng)速為零，表明Savonius風(fēng)力機(jī)具有較大的阻力系數(shù)。

2）左側(cè)葉片迎、背風(fēng)側(cè)的壓力差大于右側(cè)葉片，這樣就形成了左右葉片的壓力差，從而推動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片繞中心轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，揭示了Savonius風(fēng)力機(jī)的工作原理。

3）右側(cè)葉片迎風(fēng)側(cè)風(fēng)流一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，一部分轉(zhuǎn)化為阻力，降低了風(fēng)能的利用率，產(chǎn)生了較大的能量損失，導(dǎo)致風(fēng)能利用率較低，表明該風(fēng)力機(jī)具有較大的改進(jìn)提升空間。