李 巖, 鄭玉芳, 趙守陽(yáng), 馮 放, 李建業(yè), 王農(nóng)祥, 白榮彬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

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直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究綜述

李 巖1,2,*, 鄭玉芳1, 趙守陽(yáng)1, 馮 放3,2, 李建業(yè)1, 王農(nóng)祥1, 白榮彬1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030;2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030)

直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)是當(dāng)前升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的典型代表，憑借著無(wú)需對(duì)風(fēng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造型獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)在中小型風(fēng)能利用領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。但由于其氣動(dòng)特性復(fù)雜，且研究時(shí)間相對(duì)較短，尚有許多問題需要研究，還有很廣闊的發(fā)展空間。本文以直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性研究為對(duì)象，介紹了風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究歷程、研究現(xiàn)狀、主要工作原理，及氣動(dòng)特性分析理論、常用的研究方法，尤其是對(duì)如何改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的起動(dòng)特性問題和高轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)特性發(fā)揮問題的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)今后的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)；氣動(dòng)特性；研究方法；葉片翼型；風(fēng)輪結(jié)構(gòu)；研究進(jìn)展

0 引 言

近年來(lái)，隨著全球生態(tài)環(huán)境惡化與能源緊缺問題日益突出，清潔可再生能源的開發(fā)利用得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，風(fēng)能、太陽(yáng)能等行業(yè)快速發(fā)展，尤其是風(fēng)力發(fā)電已成為全球商業(yè)化利用最好的可再生能源之一[1]?？梢灶A(yù)見，在未來(lái)10～20年的時(shí)間里，全球風(fēng)能利用仍將保持高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的高比例，當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主要趨勢(shì)仍然是朝著大型化與大規(guī)模化并網(wǎng)發(fā)電方向發(fā)展[2]。大型化是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，各國(guó)的開發(fā)目標(biāo)已經(jīng)朝著7 M～10 M努力；大規(guī)?；侵革L(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，海上大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)已成為新興發(fā)展領(lǐng)域[3]，這些都是當(dāng)前國(guó)際風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)和前沿問題。然而，與此相對(duì)的是，針對(duì)離網(wǎng)型和分布式發(fā)電的中小型風(fēng)能利用系統(tǒng)也是風(fēng)能開發(fā)與利用中的重要且不可或缺的組成部分[4-5]。在大型風(fēng)電快速發(fā)展的大背景下，中小型風(fēng)電行業(yè)也在悄然發(fā)展和壯大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，例如，在不適合采用大型并網(wǎng)發(fā)電的偏遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)牧區(qū)、海島、極地等地區(qū)有著越來(lái)越多的應(yīng)用和推廣，更重要的是，分布式和離網(wǎng)型發(fā)電不存在大型風(fēng)力發(fā)電目前所面臨的棄風(fēng)和限電問題，可以實(shí)現(xiàn)能量的最大化利用[6-7]。因此，針對(duì)中小容量離網(wǎng)型和分布式風(fēng)能利用的新型風(fēng)力機(jī)的研發(fā)也成為了當(dāng)前國(guó)際風(fēng)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題[8]。而在這一領(lǐng)域，與當(dāng)前的主流螺旋槳式水平軸風(fēng)力機(jī)相比，風(fēng)力機(jī)的另一大主要類型——垂直軸風(fēng)力機(jī)得到了世界各國(guó)研究者的青睞和關(guān)注，尤其是對(duì)作為升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)代表的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究最受矚目，已成為當(dāng)前中小型風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)上水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手[9]。相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)具有葉片形狀和風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需對(duì)風(fēng)偏航機(jī)構(gòu)、造型獨(dú)特等主要優(yōu)勢(shì)[10]，但由于且其被研究的時(shí)間相對(duì)較短、風(fēng)輪內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，氣動(dòng)特性分析較難，盡管各國(guó)研究者進(jìn)行了大量的探索和努力，取得了一定的進(jìn)展，仍有一些問題需要研究和解決，還有非常廣闊的發(fā)展空間[11]。

為此，本文以直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究為對(duì)象，首先回顧了垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要發(fā)展歷程，然后介紹了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的基本工作原理與氣動(dòng)分析理論、常用研究方法，重點(diǎn)分析了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在氣動(dòng)特性研究方面存在的主要問題，尤其針對(duì)如何改善其在低風(fēng)速下的起動(dòng)特性問題和高轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)特性發(fā)揮問題的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了分析，并對(duì)今后的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 垂直軸風(fēng)力機(jī)分類及發(fā)展歷程

1.1 風(fēng)力機(jī)及其主要分類

風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能或熱能等的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機(jī)分類方法有很多，最主要的有兩種：按照風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與地面的位置分為水平軸風(fēng)力機(jī)(HAWT)和垂直軸風(fēng)力機(jī)(VAWT)；按照風(fēng)力機(jī)葉片的工作原理分為升力型風(fēng)力機(jī)(Lift Type)和阻力型風(fēng)力機(jī)(Drag Type)[12]。

水平軸風(fēng)力機(jī)主要代表有螺旋槳型、美式多翼型、荷蘭型和風(fēng)帆翼型等；垂直軸風(fēng)力機(jī)主要有達(dá)里厄型、直線翼垂直軸型、薩渥紐斯型、馬達(dá)拉斯型和渦輪型等[12]。圖1給出了風(fēng)力機(jī)主要分類及代表機(jī)型示意圖。

圖1 風(fēng)力機(jī)的主要分類及其典型機(jī)型[12]Fig.1 The classification of the wind turbine and typical models[12]

1.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展歷程

風(fēng)能利用歷史可以追溯到公元前。公元1300年左右，波斯記載了具有多枚翼板的垂直軸風(fēng)力機(jī)。19世紀(jì)末，丹麥?zhǔn)紫韧瞥隽孙L(fēng)力發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了風(fēng)力發(fā)電先河。之后借助飛機(jī)機(jī)翼理論，水平軸風(fēng)力機(jī)得到快速發(fā)展，逐漸成為了現(xiàn)代大型商業(yè)風(fēng)力機(jī)的主流。相比之下，垂直軸風(fēng)力機(jī)研究起步較晚，研究水平相對(duì)滯后。歸納起來(lái)，歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過三次發(fā)展高峰期[12-13]。 第一個(gè)高峰期出現(xiàn)在20世紀(jì)20～30年代，這期間出現(xiàn)了多種類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)，主要有薩渥紐斯型、馬達(dá)拉斯型和達(dá)里厄型。1929年，芬蘭工程師S J Savonius發(fā)明了后來(lái)以其名字命名的薩渥紐斯型風(fēng)力機(jī)[13](見圖1)。馬達(dá)拉斯型風(fēng)力機(jī)是美國(guó)的Julius D Madaras利用馬格納斯效應(yīng)而提出的一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置[13]。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)是由法國(guó)工程師George Jeans Mary Darrieus在1931年提出的，后來(lái)以其名字命名(見圖1)。達(dá)里厄當(dāng)時(shí)提出的風(fēng)力機(jī)葉片包括兩種形式：曲線形和直線形。通常所說(shuō)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)是專指曲線翼型葉片的。而具有直線形葉片的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)被稱為“直線翼型達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)”，如圖2(a)所示。由于對(duì)它的研究越來(lái)越多，近年來(lái)被直接稱為“直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)”，它便是本文的研究對(duì)象。另外，根據(jù)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的外形特點(diǎn)，有人將其稱為H型風(fēng)力機(jī)(H Type Rotor)，在我國(guó)也多被這么稱呼。然而在國(guó)際上，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)也是一種類型的風(fēng)力機(jī)，通常特指英國(guó)在20世紀(jì)70～80年代研發(fā)的僅具有2枚直線型葉片的垂直軸風(fēng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)外形像英文字母H。由于二者十分類似，故有時(shí)將它們統(tǒng)稱為H型風(fēng)力機(jī)。在本文中，為保持與國(guó)際一致，采用直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的叫法[14]。

(a) 直線翼垂直軸風(fēng)力 (b)H型圖2 直線翼型與H型垂直風(fēng)力機(jī)[12]Fig.2 Straight-bladed VAWT and type H[12]

第二次發(fā)展高峰出現(xiàn)在20世紀(jì)70～90年代，這是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的黃金時(shí)期。20世紀(jì)90年代，隨著水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)成為大型商業(yè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的主流機(jī)型，以達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)為代表的大型垂直軸風(fēng)力機(jī)逐漸淡出了人們的視野。然而，在中小型風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)上，垂直軸風(fēng)力機(jī)還占有一定的市場(chǎng)，對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究仍在繼續(xù)。

2000年以來(lái)，垂直軸風(fēng)力機(jī)迎來(lái)了第三次快速發(fā)展期，以直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)為代表的新型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究重新獲得了歐美和日本等國(guó)的關(guān)注，許多形狀各異的中小型垂直軸風(fēng)力機(jī)被成功投入市場(chǎng)，垂直軸風(fēng)力機(jī)正迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

2 基本理論與研究方法

以達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)和直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)為代表的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)雖然形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于其旋轉(zhuǎn)起來(lái)形成了一個(gè)空間，風(fēng)輪內(nèi)部流動(dòng)情況非常復(fù)雜，因此氣動(dòng)特性分析與計(jì)算相對(duì)較難。在其發(fā)展過程中出現(xiàn)了許多方法和理論，圖3給出了一些常見的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算和設(shè)計(jì)相關(guān)理論[15]，主要包括兩大類：模型法和數(shù)值計(jì)算法。模型法利用流體力學(xué)(含空氣動(dòng)力學(xué))的相關(guān)理論，借助水平軸風(fēng)力機(jī)的分析方法，通過提出假定，建立模型的方法來(lái)計(jì)算，是研究較多、應(yīng)用較廣的方法，主要有三種理論模型：動(dòng)量模型、渦流模型和葉柵模型，其中前兩種較為常用[15]。數(shù)值計(jì)算法雖然是近年來(lái)才開始出現(xiàn)的，但發(fā)展很快，現(xiàn)已成為一種主要設(shè)計(jì)方法。

圖3 升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)基本理論[15]Fig.3 Basic theory of lift type VAWT [15]

2.1 常用基本理論

本節(jié)僅介紹最常用的湍流模型、葉素動(dòng)量模復(fù)合型和流管模型三種理論。

2.1.1 渦流模型

渦流模型是垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性計(jì)算的主要方法。具有代表性的是由Strickland[16]等提出的考慮動(dòng)態(tài)失速效應(yīng)的三維渦流模型。根據(jù)渦流理論可將風(fēng)力機(jī)單枚葉片看作是沿著翼展方向的一系列要素的集合，葉素可以用束縛渦絲或者升力線來(lái)代替，如圖4所示。 根據(jù)Helmholtz渦量理論，束縛渦旋的強(qiáng)度等于翼端的渦旋強(qiáng)度。根據(jù)凱爾文定理，沿翼展方向放出的渦旋等于束縛渦旋的強(qiáng)度變化。脫落渦旋系以當(dāng)?shù)亓魉僮杂蓪?duì)流，這些渦絲能夠拉伸、平移及旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)間變化，被稱為自由渦旋。 所有由渦絲產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度與未擾動(dòng)風(fēng)速疊加便得到流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的流動(dòng)速度，如圖 5所示。

圖4 單葉素的渦絲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of vortex structure for a blade element

圖5 單葉素的渦絲系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagram of vortex system for a blade element

根據(jù)Biot-Savart公式，當(dāng)渦絲長(zhǎng)度為l， 強(qiáng)度為Γ時(shí)，流場(chǎng)中某一點(diǎn)P處的感應(yīng)速度 Vp的計(jì)算式如式(1)所示：

(1)

式中：e是 (r×l)方向的單位向量。

采用翼型數(shù)據(jù)或者升力面的表示方法，可用誘導(dǎo)速度確定作用于每段葉片上的升力和阻力。利用Kutta-Joukowski定理可得到束縛渦旋強(qiáng)度ΓB與作用于葉素翼展方向單位長(zhǎng)度L上的升力的關(guān)系，升力也可根據(jù)翼型截面升力系數(shù)CL表示。采用這兩種升力的表示方法，可確定特定葉片片段上附著渦強(qiáng)度與誘導(dǎo)速度的關(guān)系，如式2所示。

(2)

式中，c為葉片弦長(zhǎng)，Vr為翼型截面的當(dāng)?shù)叵鄬?duì)流速。

2.1.2 葉素動(dòng)量復(fù)合理論

葉素動(dòng)量復(fù)合理論是將葉素理論與動(dòng)量理論結(jié)合起來(lái)，通過葉素附近流動(dòng)來(lái)分析垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性。

如圖6(a)所示，與水平軸風(fēng)力機(jī)葉片葉素理論一樣，可將葉片垂直沿展方向分成若干個(gè)微段，每個(gè)微段稱為一個(gè)葉素。假設(shè)每個(gè)葉素之間的受力相互獨(dú)立，作用于每個(gè)葉素上的力只由葉素的翼型升阻特性決定。水平軸風(fēng)力機(jī)的葉素沿展向是不斷變化的，而垂直軸風(fēng)力機(jī)沿展向無(wú)變化，因此葉素可以看成一個(gè)二維翼型。通過對(duì)作用在每個(gè)微段上的載荷分析并對(duì)其進(jìn)行沿葉片展向求和，即可得到作用于風(fēng)輪上

(a) 葉片葉素

(b) 葉片受力

圖6 葉素上的氣動(dòng)力

Fig.6 Aerodynamic force on the blade element

的推力和轉(zhuǎn)矩。定義風(fēng)輪葉片是在半徑R處的一個(gè)基本單元，其長(zhǎng)度為dz，分析其上的受力情況，如圖6(b)所示，圖6中各參數(shù)的定義如表1。

表1 參數(shù)表Table 1 Parameters

根據(jù)圖中所示的速度三角形可以得出葉素的法向速度Wn和切向速度Wt分別為：

(3)

(4)

葉素的合速度W為

(5)

葉片的入流角φ滿足

(6)

根據(jù)二維翼型的氣動(dòng)特性，葉素上的氣動(dòng)升力dFL和氣動(dòng)阻力dFD可分別表示為：

(7)

(8)

根據(jù)圖6(a)所示的幾何關(guān)系，可將葉素上的氣動(dòng)升力dFL和氣動(dòng)阻力dFD可分別沿軸心方向(法向)和葉素旋轉(zhuǎn)方向(切向)進(jìn)行分解，然后分別求解作用在葉素上的法向力dFn和切向力dFt。

dFn=δFLcosφ+δFDsinφ

(9)

dFt=δFLsinφ-δFDcosφ

(10)

式中Cn、Ct分別為法向氣動(dòng)力系數(shù)和切向氣動(dòng)力系數(shù)，其表達(dá)式為：

(11)

(12)

2.1.3 流管理論

流管理論是建立在葉素動(dòng)量復(fù)合理論的基礎(chǔ)上的。對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面與來(lái)流平行，也就是說(shuō)風(fēng)要流入風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部，因此，除了要考慮葉片處的氣動(dòng)特性外，還要考慮風(fēng)速在風(fēng)輪內(nèi)部的變化情況，這就是升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性較為復(fù)雜的主要原因。研究風(fēng)穿過垂直軸風(fēng)力機(jī)時(shí)流場(chǎng)的主要理論就是流管理論，主要包括單流管模型、多流管模型和雙多流管模型。

2.1.3.1 單流管模型[17]

如圖7所示，該模型假定風(fēng)力機(jī)整體被包含在一個(gè)單一流管之中，通過計(jì)算風(fēng)力機(jī)在流管內(nèi)的能量收支來(lái)獲得風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性。該理論考慮到了翼型失速、葉片幾何形狀、風(fēng)輪實(shí)度及高徑比等的影響。單流管模型的出現(xiàn)對(duì)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能分析和計(jì)算具有非常重大的意義，為后續(xù)各種流管模型的提出奠定了基礎(chǔ)。

圖7 單流管模型Fig.7 Single streamtube model

2.1.3.2 多流管模型

Wilson和Lissaman[18]提出了多流管模型，如圖8所示。在該模型中，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)形成的回轉(zhuǎn)體被分割成一系列相互連接的、氣動(dòng)特性相互獨(dú)立的連續(xù)平行流管。再在每一個(gè)流管中應(yīng)用葉素動(dòng)量理論來(lái)分析葉片的氣動(dòng)特性。

圖8 多流管模型Fig.8 Multiple streamtube model

2.1.3.3 雙多流管模型

雙多流管模型是由著名的達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)研究專家、加拿大蒙特利爾工科大學(xué)的Ion Paraschivoiu教授在1981年提出的一種理論模型[19]，如圖9所示。該模型在多流管理論的基礎(chǔ)上，又將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)形成的回轉(zhuǎn)體沿著來(lái)流方向分為兩個(gè)半圓，每個(gè)半圓中的流管分別稱為上流管和下流管。相比前兩種模型，雙多流管模型的計(jì)算結(jié)果更接近于試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)于動(dòng)態(tài)失速的模擬也有很大改善。但該模型對(duì)于具有較大實(shí)度的風(fēng)力機(jī)以及在高尖速比情況下的精度有待于提高。

圖9 雙多流管模型Fig.9 Double-multiple streamtube model

2.2 研究方法

對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的研究手段，除了理論模型分析外，主要還有兩種方式：風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬[20]。風(fēng)洞試驗(yàn)又包括氣動(dòng)特性和可視化試驗(yàn)。風(fēng)洞氣動(dòng)特性試驗(yàn)主要用于測(cè)試風(fēng)力機(jī)的升阻力特性、扭矩和功率特性等?？梢暬囼?yàn)主要用于獲得風(fēng)輪內(nèi)部及周圍流場(chǎng)，分析流動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理。利用數(shù)值模擬既可以計(jì)算風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，又能給出速度、壓力和渦旋等參數(shù)，同時(shí)還具有速度較快、成本低等特點(diǎn)，是當(dāng)前研究垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的重要手段。

2.2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

獲取風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性最直接、最主要的方法就是風(fēng)洞試驗(yàn)。通過獲取在不同風(fēng)況條件下的垂直軸風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)氣動(dòng)特性參數(shù)，為風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和檢驗(yàn)提供依據(jù)。

2.2.1.1 風(fēng)洞

適用于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的低速風(fēng)洞的種類很多，主要包括回流式和直流式兩種。鑒于風(fēng)力機(jī)工作在野外，開口直流式更接近于風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)。如果采用回流式，則要充分考慮風(fēng)輪在試驗(yàn)段的阻塞效應(yīng)，風(fēng)輪掃掠面積與試驗(yàn)段截面積的比要控制在30%以內(nèi)，否則要對(duì)風(fēng)速分布進(jìn)行嚴(yán)格的修正。風(fēng)洞的試驗(yàn)段截面有圓形和矩形的。圓形試驗(yàn)段較適合于水平軸風(fēng)力機(jī)和達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)，而對(duì)于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)則矩形試驗(yàn)段更為適合，如圖10所示。

2.2.1.2 氣動(dòng)特性測(cè)試風(fēng)洞系統(tǒng)

圖11所示為常用直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性測(cè)試風(fēng)洞系統(tǒng)組成示意圖。通常，要將設(shè)計(jì)好的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行縮比后制作風(fēng)輪模型，然后將模型放置于沿風(fēng)洞出口中心位置下游方向適當(dāng)位置處。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，有可能會(huì)在某一轉(zhuǎn)速下與試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生共振，因此一定要對(duì)風(fēng)力機(jī)模型、試驗(yàn)臺(tái)和地面三者進(jìn)行牢固連接。測(cè)試人員需要在安全區(qū)域進(jìn)行操作，防止葉片連接不牢飛出發(fā)生事故。

圖10 矩形開口直流風(fēng)洞舉例Fig.10 Wind tunnel with square section

圖11 垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性測(cè)試風(fēng)洞系統(tǒng)Fig.11 Wind tunnel experimental system for VAWT

如果要測(cè)試葉片的升阻力，需要用測(cè)力天平。如果要測(cè)試風(fēng)輪的扭矩，可按圖11所示，將風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與扭矩儀(帶有轉(zhuǎn)速儀)和帶有制動(dòng)器的電機(jī)連接，測(cè)試在不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)輪扭矩。再利用功率、扭矩和轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系算出風(fēng)輪的功率。另外，如果要單純測(cè)量功率的話，還可直接將風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)和負(fù)載回路連接，通過改變負(fù)載獲得功率曲線。

2.2.1.3 可視化試驗(yàn)

直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍流場(chǎng)十分復(fù)雜，如果能夠獲得清晰的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)揭示風(fēng)輪工作原理、優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)具有重要意義，而可視化風(fēng)洞技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)這一目的。在風(fēng)洞中安裝流動(dòng)顯示設(shè)備可以進(jìn)行可視化，獲得風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)的直觀顯示[21]。常用的可視化方法包括：壁面顯示法、絲線法、示蹤法和光學(xué)法等。以往常用的是煙線法，通過設(shè)置在風(fēng)力機(jī)上方的高速照相機(jī)可以拍攝到煙線繞過風(fēng)力機(jī)時(shí)的狀態(tài)，煙線即可代表來(lái)流的流跡線。圖12所示為利用煙線法得到的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)照片[22]。

圖12 基于煙線法的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)[22]Fig.12 Flow field around SB-VAWT by smoke wire method [22]

近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了粒子圖像測(cè)速法(PIV，Particle Image Velocimetry)和粒子跟蹤測(cè)速法(PTV, Particle Tracking Velocimetry)等可視化方法。PIV結(jié)合了激光技術(shù)、跨幀CCD技術(shù)以及數(shù)字圖像處理等技術(shù)，能夠同時(shí)獲得流場(chǎng)中一個(gè)面上多點(diǎn)的速度，使得流動(dòng)測(cè)量取得了突破性的進(jìn)展, 是目前研究風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的較先進(jìn)可視化手段。由于生產(chǎn)廠家不同，PIV系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)不同，但大體上PIV系統(tǒng)主要由四個(gè)部分構(gòu)成(如圖13所示)，即：1.光源(脈沖激光器)；2.攝像頭(專用跨幀CCD 相機(jī))；3.同步控制系統(tǒng)；4.圖象采集和矢量計(jì)算(處理軟件)。

圖14所示為利用PIV來(lái)測(cè)試直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪或葉片周圍的流場(chǎng)的系統(tǒng)舉例。在流場(chǎng)中注入示蹤粒子，在相隔很短的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量示蹤粒子的位移，通過計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，計(jì)算出粒子的速度矢量，得到流場(chǎng)中的速度場(chǎng)分布。再通過后續(xù)處理可以獲得其他物理量，如壓力、渦度等，分析風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理。

圖13 PIV構(gòu)成系統(tǒng)示意圖Fig.13 Diagram of PIV system

圖14 直線翼垂直軸葉片PIV可視化系統(tǒng)示意圖Fig.14 Diagram of PIV experimental system for SB-VAWT

2.2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)發(fā)展快速，計(jì)算速度和精度大大提高，計(jì)算成本大幅降低。因此，數(shù)值模擬已經(jīng)成為風(fēng)力機(jī)性能研究和設(shè)計(jì)的主要手段之一[23-24]。利用數(shù)值模擬來(lái)分析風(fēng)力機(jī)的論文非常多，因此本文不再過多介紹數(shù)值模擬的基本原理和理論，僅就計(jì)算直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

用CFD軟件對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的過程主要可以分為以下幾個(gè)步驟：方案制定、計(jì)算模型建立、網(wǎng)格劃分、求解設(shè)置以及后處理。在制定方案時(shí)，首先要確定是用二維還是三維進(jìn)行計(jì)算。由于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片是直線翼型，沿著翼展方向的截面都是相同的，所以一般情況下可以考慮用二維計(jì)算。當(dāng)需要考慮葉片端面的流動(dòng)效應(yīng)的時(shí)候，則要用三維計(jì)算。另外，對(duì)于改進(jìn)的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，如添加了阻力風(fēng)輪，安裝了導(dǎo)流裝置，改變了葉片形狀時(shí)，也需要考慮用三維計(jì)算。然而，三維計(jì)算較二維計(jì)算工作量大幅提高，而且網(wǎng)格的設(shè)置也變得相對(duì)復(fù)雜，因此，在精度要求不高時(shí)應(yīng)盡量選擇二維計(jì)算。

幾何模型的建立主要是指為計(jì)算模型建立合適的計(jì)算域，計(jì)算域過小會(huì)導(dǎo)致流體發(fā)展不充分，壁面對(duì)風(fēng)輪周邊流域產(chǎn)生過多干涉，計(jì)算精度降低，計(jì)算結(jié)果誤差較大；若計(jì)算域過大則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算量加大，計(jì)算周期變長(zhǎng)，造成時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源的浪費(fèi)[25]。對(duì)于2D和3D計(jì)算域的設(shè)置如圖15和圖16所示，合適規(guī)模的計(jì)算域既可以保證計(jì)算精度，又能夠有效降低計(jì)算量。

圖15 2D計(jì)算域[26]Fig.15 2D computational domain [26]

圖16 3D計(jì)算域[27]Fig.16 3D computational domain [27]

網(wǎng)格劃分時(shí)要綜合考慮各種影響數(shù)值計(jì)算精度的因素，給定單元類型和網(wǎng)格類型等參數(shù)，注意不同網(wǎng)格單元與不同網(wǎng)格類型相匹配[28]。對(duì)于復(fù)雜問題，網(wǎng)格劃分不容易一次成功，即使成功，計(jì)算結(jié)果也可能有偏差，所以在做仿真之前，需要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[26]。圖17和圖18給出了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)二維以及三維網(wǎng)格示意圖。

在利用數(shù)值計(jì)算得到結(jié)果后必須要進(jìn)行認(rèn)真的對(duì)比分析。比較簡(jiǎn)單的是與其他研究者的成果進(jìn)行對(duì)比，有條件的話可以自己進(jìn)行風(fēng)洞驗(yàn)證。無(wú)論哪種驗(yàn)證方法，都需要分析誤差來(lái)源，做好計(jì)算調(diào)整，保證數(shù)值模擬的精度。

圖17 2D網(wǎng)格示意圖[26]Fig.17 2D mesh discretization [26]

圖18 3D網(wǎng)格示意圖[27]Fig.18 3D mesh discretization [27]

3 直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究

3.1 概述

圖19所示為一臺(tái)典型的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和組成示意圖。通常，風(fēng)力機(jī)的葉片太少會(huì)影響風(fēng)力機(jī)的功率輸出，葉片太多會(huì)使各葉片之間產(chǎn)生干涉，也會(huì)影響葉片氣動(dòng)特性。根據(jù)以往的研究結(jié)果，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)在2～6枚最為適合。

圖19 直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖Fig.19 Diagram of structure of SB-VAWT

在風(fēng)力作用下，葉片上產(chǎn)生氣動(dòng)力，通過橫梁與轉(zhuǎn)軸的連接，形成對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩，使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。因此，葉片是直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的最主要組成部分，對(duì)它的研究也最多，其基本參數(shù)包括葉片形狀、葉片翼型、葉片弦長(zhǎng)、葉片高度、葉片個(gè)數(shù)、葉片安裝角、與轉(zhuǎn)軸連接方式等。與之相關(guān)的主要參數(shù)還有風(fēng)輪實(shí)度(所有葉片總弦長(zhǎng)與風(fēng)輪周長(zhǎng)或半徑之比)、風(fēng)輪高徑比(葉片高度與風(fēng)輪直徑之比)等。這些參數(shù)只要有一個(gè)發(fā)生變化，就會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響，其根源還是參數(shù)變化導(dǎo)致了風(fēng)輪周圍和內(nèi)部流場(chǎng)的變化。圖20所示為直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)在某轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹搅鹘?jīng)風(fēng)輪的流場(chǎng)是很復(fù)雜的，而且是隨著旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速(尖速比)的改變而變化。當(dāng)葉片處于大攻角時(shí)會(huì)出現(xiàn)分離、渦旋，伴隨著能量的損失；當(dāng)達(dá)到一定尖速比時(shí)就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)失速，嚴(yán)重影響氣動(dòng)特性。另外，相比水平軸風(fēng)力機(jī)而言，對(duì)于同一股來(lái)流，水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片只切割一次來(lái)流產(chǎn)生氣動(dòng)力。而直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)則不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速很快時(shí)，葉片要多次與來(lái)流作用，因此其工作原理和運(yùn)動(dòng)分析相對(duì)來(lái)說(shuō)較水平軸風(fēng)力機(jī)復(fù)雜，這是其發(fā)展相對(duì)滯后的主要根源，也是如前所述出現(xiàn)較多分析理論和模型的原因。

但經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)基本掌握了該種風(fēng)力機(jī)的一般特性和一些參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響規(guī)律[29-34]。圖21給出了一例實(shí)度對(duì)其輸出功率影響的計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹?，實(shí)度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性影響很大，實(shí)度越小的風(fēng)力機(jī)可以獲得越快的轉(zhuǎn)速，但實(shí)度太小或太大都會(huì)使功率系數(shù)降低。并且我們可以從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的重要特征。一是目前來(lái)看直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的最大功率系數(shù)相比水平軸風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)還相對(duì)較低，對(duì)于大型直線翼垂直風(fēng)力機(jī)，計(jì)算結(jié)果顯示其最大功率系數(shù)可達(dá)到0.4～0.5，但結(jié)果顯示通常在0.4以內(nèi)。對(duì)于中小型風(fēng)力機(jī)，由于風(fēng)輪掃掠面積小，風(fēng)能利用系數(shù)一般在0.25～0.4之間。各國(guó)的研究者給出的結(jié)果差別很大，其原因主要是小型風(fēng)力機(jī)非常容易受到機(jī)械、機(jī)電、控制等因素影響，而計(jì)算往往忽略掉了這些。二是在尖速比在0～1之間，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)非常小，幾乎為0。第一個(gè)特征說(shuō)明該種風(fēng)力機(jī)在高尖速比下的輸出特性有待進(jìn)一步提高才能與水平軸風(fēng)力機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。而第二個(gè)特征則說(shuō)明該種風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)特性不夠理想，在尖速比1以下很難維持有效的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨時(shí)都可能停機(jī)。因此，絕大多數(shù)的研究都是圍繞解決這兩個(gè)問題而進(jìn)行的。歸納一下，我們認(rèn)為研究主要從兩個(gè)方面開展——葉片翼型優(yōu)化與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)。下面主要介紹這兩個(gè)方向的研究進(jìn)展。

圖20 葉片周圍流場(chǎng)Fig.20 Flow field around rotor

3.2 直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片翼型研究

在研究的初期，沒有專門針對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片翼型，而是直接在已有的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片翼型族中挑選使用。最常用的，同時(shí)也是被證明最有效的翼型之一是NACA的4位數(shù)系列對(duì)稱翼型，如NACA0015和NACA0018，至今這兩個(gè)翼型仍然是許多研究者的首選。應(yīng)用這些翼型能夠使直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)獲得較高的輸出功率系數(shù)，但起動(dòng)特性并非十分理想。后來(lái)一些非對(duì)稱翼型也被應(yīng)用到該種風(fēng)力機(jī)葉片上，如NACA的5位數(shù)系列非對(duì)稱翼型，水平軸風(fēng)力機(jī)常用的S809翼型、 FX系列翼型等，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)這些翼型都不是專門針對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)而開發(fā)的。真正用于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型的代表是由原日本東海大學(xué)的Seki教授歷經(jīng)30多年開發(fā)的TWT系列翼型[14, 35]，如圖22所示為其中的一例代表。采用這些翼型的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)產(chǎn)品具有較高的輸出功率特性，被大量安裝在日本各地，對(duì)該種風(fēng)力機(jī)的推廣和發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

(a) TWT翼型[14]

(b) 采用TWT翼型風(fēng)力機(jī)性能舉例[35]圖22 日本東海大學(xué)開發(fā)的TWT翼型及性能[35]Fig.22 TWT airfoil and its power performance by Tokai University of Japan [35]

另外,還有一些研究者以NACA系列翼型等為基礎(chǔ)，應(yīng)用一些變換理論，對(duì)這些翼型進(jìn)行變形處理，使之更適合于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)。2011年，曲建俊等基于復(fù)合形法進(jìn)行了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了一些較好的翼型[36]。在2010和2013年，陳進(jìn)等[37-38]提出了基于多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化得到的風(fēng)力機(jī)專用翼型 WT180。優(yōu)化改進(jìn)后的新翼型在升力系數(shù)、升阻比、粗糙度敏感性等方面有明顯優(yōu)于原翼型；新翼型對(duì)前緣粗糙條件不敏感，同時(shí)還具有良好的失速特性。計(jì)算分析表明該翼型在設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)工況都具有良好的氣動(dòng)性能。2014年，Carlos Sim?o[39]等利用遺傳優(yōu)化算法，對(duì)厚翼型的氣動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化，使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量有所減少，在不影響氣動(dòng)性的情況下，起到了優(yōu)化風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的效果。

可以說(shuō)，大多數(shù)專用翼型研究開發(fā)的主要目的是提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性，也就是功率系數(shù)，使之能達(dá)到水平軸風(fēng)力機(jī)的水平。然而，近年來(lái)出現(xiàn)了一些翼型改進(jìn)是為了提高風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)特性的，這些研究主要是對(duì)翼型進(jìn)行大幅度的變形，使之具備一定的阻力外形，從而增加低風(fēng)速和低轉(zhuǎn)速下的起動(dòng)性能。例如，2007 年野口常夫[40]研究了在高升力型翼型后緣切成缺部，利用切缺部產(chǎn)生阻力從而起動(dòng)風(fēng)力機(jī)，如圖 23所示。但利用這種方式形成的風(fēng)阻部體積太小，所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也有限，對(duì)自起動(dòng)性能提升的效果并不十分顯著。同年，橫井正[41]研究了在葉片上安裝受彈簧控制的受風(fēng)板，形成阻力型風(fēng)力機(jī)， 提高了升力型風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)特性。增大風(fēng)力機(jī)的逆向轉(zhuǎn)矩。如圖 24所示。

圖23 帶有切缺部的高升力翼型[40]Fig.23 Airfoil with cutting portion [40]

圖24 帶有受彈簧控制受風(fēng)板的翼型[41]Fig.24 Airfoil with wind screen controlled by spring [41]

2008年崔美娟等[42]研究在翼型前緣側(cè)面加工凹進(jìn)擋風(fēng)部，通過阻力獲得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩改進(jìn)翼型起動(dòng)特性，如圖25所示。2010年，曲建俊等[43]提出了在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片上加裝襟翼(如圖26所示)的方案，在一定程度上增大了翼型的雷諾數(shù)和升力，同時(shí)也增大了翼型的彎度，改善了流體流過翼型表面的壓力差，在一定程度上提高了風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能。同年，曲建俊等[44]等研究了一種基于活固葉片的升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)(VAWT-SWS)，特征在于每個(gè)葉片都由活動(dòng)葉片和固定葉片組成。圖27為3葉片VAWT-SWS與3 葉片 Darrieus 風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)自起動(dòng)性能比較，改善后的風(fēng)力機(jī)性能較原始的Darrieus 風(fēng)力機(jī)有顯著提高。

圖25 帶有擋風(fēng)部的翼型[42]Fig.25 Airfoil with windshield department [42]

圖26 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片襟翼[43]Fig.26 The blade with flap wing of straight-bladed vertical axis wind turbine [43]

圖27 VAWT-SWS風(fēng)力機(jī)與達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Fig.27 Static torque coefficient of VAWT-SWS and Darrieus rotor

近幾年，又出現(xiàn)了一種改進(jìn)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的新思路。這種方法不是直接對(duì)翼型和葉片本體進(jìn)行改變，而是在葉片翼型周圍，主要是前緣和尾緣附近添加一些諸如圓柱、小翼等，用來(lái)改變?nèi)~片的入流方式和尾流流動(dòng)，從而改善翼型的氣動(dòng)特性。例如，2015年，陳珺等[45]在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的前緣加裝微小圓柱(如圖28)。其主要原理是通過抑制翼型上的流動(dòng)分離的方式，使升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率在低尖速比下有一定提高。圖29為在不同尖速比下前緣設(shè)置微小圓柱與未設(shè)置微小圓柱的功率系數(shù)變化示意圖。

2016年，趙振宙等[46]進(jìn)行了基于擾流技術(shù)的直線翼垂直軸風(fēng)輪葉片性能改善數(shù)值模擬研究，提出了采用擾流方法來(lái)解決因局部方位角的葉片攻角極小而導(dǎo)致整體風(fēng)輪性能較低的問題。如圖30研究結(jié)果所示，適當(dāng)增大0°和180°處的擾流角可以提高風(fēng)輪性能，擾流角增加相同幅度，上盤面的轉(zhuǎn)矩的提高幅度更大。

圖28 葉片前緣前設(shè)置微小圓柱示意圖Fig.28 Schematic of micro-cylinder in front of blade leading edge

圖29 加裝小圓柱前后風(fēng)力機(jī)CpFig.29 Cp of VAWT with and without micro-cylinder

同年，李巖等[47]在葉片后部加設(shè)了輔助小翼用來(lái)改善葉片尾流流場(chǎng)，利用數(shù)值計(jì)算研究了小翼的主要參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性能和輸出功率特性的影響，如圖31所示，適當(dāng)?shù)男∫頃?huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性改善有一定的效果。然而，這種方法與思路目前仍在探索中，需要深入系統(tǒng)地研究來(lái)完善。

(a) 具有輔助小翼的風(fēng)力機(jī)

(b) 具有輔助小翼的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)圖31 葉片后加小翼風(fēng)力機(jī)Fig.31 Wind turbine with auxiliary blade

3.3 直線翼垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

在研究初期，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪分為定槳距和變槳距兩種。變槳距風(fēng)輪葉片槳距可隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化而變化，雖對(duì)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出有一定的改善，但并不顯著，同時(shí)使整機(jī)結(jié)構(gòu)變得過于復(fù)雜，因此近年來(lái)的研究主要集中在定槳距類型上。

除了上述利用葉片與翼型優(yōu)化來(lái)提高氣動(dòng)特性外，近年來(lái)研究最多的便是利用在風(fēng)輪內(nèi)、外添加一些輔助機(jī)構(gòu)來(lái)改善直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能。輔助機(jī)構(gòu)主要有兩類：一類是能夠起到聚風(fēng)、導(dǎo)流、增速等作用的裝置；另一類是具有阻力型垂直軸風(fēng)機(jī)特征的阻力風(fēng)輪結(jié)構(gòu)。這兩類輔助裝置有些主要是用來(lái)提高起動(dòng)性能的，有些主要是增加輸出功率的。通過參數(shù)優(yōu)化，有些輔助裝置對(duì)風(fēng)力機(jī)的整體氣動(dòng)特性都會(huì)起到一定的改善作用。因此，當(dāng)前對(duì)新型輔助裝置的研究成為了改善直線翼垂直軸風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的重要內(nèi)容之一，而且相對(duì)新型翼型的開發(fā)來(lái)說(shuō)要相對(duì)容易開展研究和達(dá)到技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

將直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)與具有很好起動(dòng)性能的阻力型風(fēng)力機(jī)—Savonius風(fēng)輪結(jié)合起來(lái)提高其起動(dòng)性能是最典型、也是被研究最多的風(fēng)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)手段。這種方法最早被應(yīng)用到達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性的提高上。如圖32所示，2005年，日本學(xué)者Wakui Tetsuya等[48]利用仿真模擬的方法討論了Savonius風(fēng)力機(jī)與達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的組合結(jié)構(gòu)，采用了兩種類型的結(jié)構(gòu)，類型 A 將 Savonius 風(fēng)力機(jī)安裝在 Darrieus 風(fēng)力機(jī)內(nèi)部，類型 B 將 Savonius 風(fēng)力機(jī)安裝在 Darrieus風(fēng)力機(jī)外部。這兩種方式都對(duì)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性有很好的改善作用。

(a) 類型A (b)類型B圖32 兩種類型的Savonius-Darrieus型風(fēng)力機(jī)[48]Fig.32 General view of the types of hybrid configurations [48]

同樣，將這種方法可以直接應(yīng)用到直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)上，無(wú)疑對(duì)其起動(dòng)性的改善會(huì)有很好效果。然而，這種組合方式存在一個(gè)最主要的問題，如果結(jié)合參數(shù)不佳，會(huì)嚴(yán)重降低直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)。因?yàn)?，Savonius風(fēng)力機(jī)是阻力型，轉(zhuǎn)速很低。二者結(jié)合后，雖然在起動(dòng)階段Savonius風(fēng)力機(jī)發(fā)揮了作用，但當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸提高到一定程度后，Savonius風(fēng)輪便會(huì)阻礙直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性發(fā)揮。也就是說(shuō)，Savonius風(fēng)力機(jī)從某種意義上成為了直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的一個(gè)負(fù)載，而且負(fù)載量隨著轉(zhuǎn)速增大而不斷增大。因此，這一問題成為了該種結(jié)合方法發(fā)展的一個(gè)最大障礙。2011年，寇薇等[49]提出了一種方法，如圖33所示，在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)與Savonius風(fēng)輪之間安裝了一個(gè)超越離合器，在起動(dòng)和低速轉(zhuǎn)動(dòng)階段，超越離合器連接，發(fā)揮Savonius風(fēng)輪的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定值后，超越離合器分開，使直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮其好的氣動(dòng)特性。這無(wú)疑是一個(gè)非常巧妙的辦法，但我們并沒有找到后續(xù)的研究。主要原因是由于自然界風(fēng)速變化很大，超越離合器與之相應(yīng)而要頻繁地動(dòng)作，這在實(shí)際應(yīng)用中是很難實(shí)現(xiàn)的。

圖33 帶有超越離合器的組合型風(fēng)力機(jī)[49]Fig.33 Combined wind turbine with overrunning clutch [49]

為此，研究二者結(jié)合的結(jié)構(gòu)參數(shù)是關(guān)鍵問題。2013 年李巖等[50]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了二者結(jié)合的一些主要參數(shù)如結(jié)合角度、直徑比等， 獲得了一定的規(guī)律，為組合法垂直軸風(fēng)力機(jī)的后續(xù)發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。

除此之外，李巖等在2015年設(shè)計(jì)了一種雙層柔性可伸縮式直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)[51]，如圖34所示。在起動(dòng)階段，柔性輔助葉片展開，增加起動(dòng)力矩，風(fēng)力機(jī)在進(jìn)入高轉(zhuǎn)速后，柔性輔助葉片在離心力的作用下縮回副葉片內(nèi)部使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)變成為具有雙層葉片的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)。該種方法與使用超越離合器的方法屬于同一個(gè)思路，即通過一些機(jī)構(gòu)使阻力風(fēng)輪在高尖速比下失去作用來(lái)確保直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。然而，這種方法與結(jié)構(gòu)還需要更進(jìn)一步的研究。

(a) 低轉(zhuǎn)速下 (b)高轉(zhuǎn)速下 (c)樣機(jī)照片圖34 風(fēng)力機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖[51]Fig.34 Wind turbine three-dimensional structure [51]

在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的周圍安裝導(dǎo)流和聚風(fēng)裝置也是一種很早就被應(yīng)用的方法，研究得也較多、較廣泛。這種方法最初是用在阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)上的，用來(lái)提高其輸出功率特性。其實(shí)，在水平軸風(fēng)力機(jī)上也有采用這種方法的，如日本九州大學(xué)的大屋教授[52]提出了如圖35所示結(jié)構(gòu)，有很好的聚風(fēng)效果，這種風(fēng)力機(jī)在日本也得到了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2012年，姬俊峰等[53]提出了一種遮蔽-增速升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖36所示，沿著來(lái)流方向在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外圍設(shè)置了導(dǎo)流板，具有導(dǎo)流和增加風(fēng)速的作用。結(jié)果表明，通過設(shè)置導(dǎo)流板的確提高了風(fēng)力機(jī)的效率和起動(dòng)性。

2013年，W T Chong[54]提出了一種全方向?qū)~式風(fēng)力機(jī)，如圖37所示，結(jié)果顯示風(fēng)力機(jī)的整體風(fēng)能利用效率有一定改善。

同年，趙振宙[55]等也提出了一種導(dǎo)葉式直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖38所示，沿著來(lái)流方向在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪周圍設(shè)置了具有導(dǎo)流和增速作用的導(dǎo)流板，研究結(jié)果表明這些導(dǎo)葉對(duì)風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性有一定的改善。

圖35 聚風(fēng)裝置原理圖[52]Fig.35 Schematic of device gathering wind [52]

(a) 遮蔽-增速升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)

(b) 直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)

(c) 有遮蔽增速直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)圖36 遮蔽-增速升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)功率模擬[53]Fig.36 Power simulation for VAWT with and without wind shield-growth patterns [53]

圖37 全方向集風(fēng)升力型風(fēng)力機(jī)[54]Fig.37 Novel omni-direction-guide-vane lift wind turbine[54]

(a) 導(dǎo)葉式直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)

(b) 兩種風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩[55]圖38 導(dǎo)葉式直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)Fig.38 SB-VAWT with guide vanes [55]

上述幾項(xiàng)研究提出的導(dǎo)流和聚風(fēng)裝置有一個(gè)共同特點(diǎn)就是，它們都是沿著來(lái)流方向安裝在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的周圍。2016年，李巖[56]等提出了另外一種圓臺(tái)型聚風(fēng)裝置，如圖39所示，是將其安裝在風(fēng)輪的上下。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該裝置的有效性，起動(dòng)力矩有了很大的改善，低風(fēng)速下的功率特性也得到了提升，但聚風(fēng)裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如最佳的圓臺(tái)外形曲線等，仍需進(jìn)一步研究。

3.4 其它

隨著風(fēng)能利用越來(lái)越受到重視，對(duì)直線翼垂直軸風(fēng)機(jī)的研究越來(lái)越多，改善其氣動(dòng)特性的新方法和新技術(shù)也不斷出現(xiàn)。但鑒于有些方法還正處于探索階段，本文不做詳細(xì)介紹。同時(shí)，隨著直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，針對(duì)一些特殊用途的研究也受到了關(guān)注。如應(yīng)用在寒冷地區(qū)時(shí)，低溫、積雪和結(jié)冰問題尤為突出，因此研究應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的結(jié)冰預(yù)警、防/除冰技術(shù)受到了關(guān)注[57]。對(duì)于安裝在干旱和沙漠地區(qū)時(shí)，風(fēng)沙侵蝕則變成了主要問題，風(fēng)輪與機(jī)艙的防風(fēng)沙問題研究隨之而來(lái)。隨著海上風(fēng)電的日益興起，歐洲一些國(guó)家開始嘗試建立采用直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的海上風(fēng)電場(chǎng)，提出了一些新型的機(jī)型與結(jié)構(gòu)，使之更適合于海上的風(fēng)況條件。而在廣大農(nóng)牧區(qū)，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)可以作為當(dāng)?shù)氐闹饕茉垂┙o設(shè)施，組成風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)、風(fēng)光柴綜合利用系統(tǒng)，以及“風(fēng)-光-沼”可再生能源綜合利用系統(tǒng)，不僅可以用來(lái)發(fā)電，還可以進(jìn)行制熱供暖、提水灌溉、農(nóng)產(chǎn)品干燥、漁業(yè)養(yǎng)殖、有機(jī)廢棄物處理、海水淡化制水等。這些新技術(shù)、新方式、新用途的出現(xiàn)，為直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展提供了前所未有的廣闊空間。

(a) 具有圓臺(tái)型聚風(fēng)裝置的垂直軸風(fēng)力機(jī)

(b) 有無(wú)聚風(fēng)罩風(fēng)力機(jī)起動(dòng)力矩圖39 圓臺(tái)型聚風(fēng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)[56]Fig.39 SB-VAWT with truncated cone-shaped wind guide device [56]

4 總結(jié)與展望

當(dāng)前，直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)仍處于發(fā)展階段，氣動(dòng)特性的改善仍是研究的核心問題。歸納起來(lái)：

1) 用于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析的理論框架已基本建立，能夠較好地進(jìn)行風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與分析，但熟練掌握這些理論需要堅(jiān)實(shí)的理論功底，對(duì)研究者要求較高。

2) 采用數(shù)值模擬的方法可以在一定程度上計(jì)算和分析直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，具有相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低、時(shí)間短的特點(diǎn)，是當(dāng)前的重要研究手段?？捎么朔椒ㄟM(jìn)行風(fēng)力機(jī)的初步設(shè)計(jì)，如多參數(shù)優(yōu)化，探尋趨勢(shì)研究。但一定要做好對(duì)比驗(yàn)證研究。

3) 風(fēng)洞試驗(yàn)仍是直線翼垂直軸風(fēng)機(jī)的重要研究手段，可通過氣動(dòng)測(cè)量與可視化觀測(cè)獲取風(fēng)力機(jī)的重要?dú)鈩?dòng)特性和流動(dòng)機(jī)理。但該方法成本較高、設(shè)計(jì)制作周期長(zhǎng)、對(duì)研究者技能要求高?？煽紤]用與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，互補(bǔ)研究。

4) 低風(fēng)速下起動(dòng)性與高轉(zhuǎn)速下輸出特性仍是當(dāng)前直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的兩個(gè)主要問題。雖然各國(guó)研究者進(jìn)行了大量的工作和探索，仍需要進(jìn)一步完善解決。葉片翼型優(yōu)化與風(fēng)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)是兩個(gè)主要研究方向。隨著研究的不斷深入，葉片翼型優(yōu)化更趨向于對(duì)葉片周圍流動(dòng)的控制，而風(fēng)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)則更朝著起動(dòng)性與輸出特性同時(shí)提高的目標(biāo)進(jìn)行，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與細(xì)化并行推進(jìn)，同時(shí)新結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)。

展望未來(lái)幾年，隨著研究的不斷深入與應(yīng)用的快速推進(jìn)，滿足特殊需求與用途的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)會(huì)有很大的市場(chǎng)。大型化發(fā)展是直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)用的一個(gè)突破目標(biāo)，兆瓦級(jí)別風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)輪振動(dòng)控制與強(qiáng)度提高將成為研究重點(diǎn)。同時(shí)，適用于海上風(fēng)電的新型垂直軸風(fēng)力機(jī)及其系統(tǒng)，面向特殊地區(qū)和特殊用途的基于直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的多能綜合利用系統(tǒng)的研究將是具有廣闊前景的發(fā)展方向。

最后，限于作者水平，資料搜集并不全面，文中亦會(huì)存在不妥與未完善之處，某些觀點(diǎn)也僅為依據(jù)作者視角而出。發(fā)文目的旨在拋磚引玉，促進(jìn)直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)研究，助力我國(guó)風(fēng)能事業(yè)發(fā)展！

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A review on aerodynamic characteristics of straight-bladed vertical axis wind turbine

LI Yan1,2,*, ZHENG Yufang1, ZHAO Shouyang1, FENG Fang3,2,LI Jianye1, WANG Nongxiang1, BAI Rongbin1

(1.EngineeringCollege,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.HeilongjiangProvincialKeyLaboratoryofTechnologyandEquipmentforUtilizationofAgriculturalRenewableResourcesinColdRegion,Harbin150030,China;3.CollegeofScience,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Straight-bladed vertical axis wind turbine (SB-VAWT) is typical representative of lift type vertical axis wind turbine at present.It has been received more and more attentions in small and medium scale wind energy utilization field due to the advantages of wind direction independence, simple structure, and unique shape.However, there are still some problems need to be studied because of its complex aerodynamic characteristics and relatively short studied time.The SB-VAWT has a broad development space.In this paper, the researches on aerodynamic characteristics of the SB-VAWT were discussed.Firstly, the brief history of the VAWT and its research status were reviewed.Then, we introduced the main principle, aerodynamic characteristics analysis theory, and common research methods.Especially, the research progress was analysed and summarized on how to improve its starting performance at low wind speed and aerodynamic output characteristics at high rotational speed.The future research trend was also prospected.

straight-bladed vertical axis wind turbine; aerodynamic characteristics; research methods; blade airfoil; rotor structure; research progress

0258-1825(2017)03-0368-16

2016-12-18;

2017-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(51576037); 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541012)

李巖*(1972-),男,黑龍江賓縣人,教授,研究方向:風(fēng)能及可再生能源綜合利用.E-mail:liyanneau@163.com

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TM315

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2016.0189