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(jié)構(gòu)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(jù)有很多潛在的優(yōu)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(yōu)良的性能，比如更低的氣動噪聲；在低風速狀態(tài)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(yīng)用的一個重要原因[3-4]。

近年來，國內(nèi)外已經(jīng)在垂直軸阻力型風力機的數(shù)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(shè)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(shè)計了一種安裝在垂直軸風力機周圍擋風板性質(zhì)的聚風裝置。曲建俊等人設(shè)計了一種活固葉片的升阻復(fù)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(shù)、不同導(dǎo)流葉片數(shù)和不同尖速比下的工作流場進行了數(shù)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(yīng)的風葉數(shù)和導(dǎo)流葉片數(shù)的組合。

1 計算模型和計算方法

1.1 計算模型和網(wǎng)格劃分

圖1 二維風力機計算模型

圖2 計算區(qū)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(wǎng)格滑移技術(shù)對轉(zhuǎn)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(jié)果與分析

1.3.1 不同風葉，導(dǎo)流葉片數(shù)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(shù)。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(zhuǎn)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(dǎo)流葉片，可以改變?nèi)~輪周圍的流場特性，有效減少葉輪在迎風的半個周期內(nèi)所產(chǎn)生的負力矩，提高風力機效率。W代表導(dǎo)流葉片數(shù)量，N代表風葉數(shù)量；為了研究導(dǎo)流葉片數(shù)和風葉數(shù)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(shù)與N，W的對應(yīng)關(guān)系?？煽闯?，當N=7，W=16時本型風力機風能利用系數(shù)取得最大值，最大值為15.5%。

圖3 Cp與不同N，W關(guān)系匯總曲線

1.3.2 流場對比分析

當風力機的A風葉轉(zhuǎn)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(dǎo)流葉片數(shù)量稀疏，A風葉左側(cè)相鄰兩導(dǎo)流葉片之間相互影響小，導(dǎo)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(zhuǎn)動的影響下進入A風葉的凹側(cè)，最終在A風葉旋轉(zhuǎn)到θ=75度附近脫離葉片。N=7，W=18型風力機，迎風側(cè)做功區(qū)均勻陣列的導(dǎo)流葉片形成的導(dǎo)流方向與風葉在導(dǎo)流葉片附近的速度切線夾角過小，使得導(dǎo)流葉片處產(chǎn)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(cè)。 由于在此運轉(zhuǎn)區(qū)間N=7，W=10；N=7，W=18型風力機A風葉凹側(cè)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(xiàn)象相符合。

當風力機的A風葉轉(zhuǎn)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(cè)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(qū)動力。N=7，W=16型風力機A風葉左下方兩導(dǎo)流葉片前者產(chǎn)生的分離渦在后者的導(dǎo)流下向右上方流動，沖擊A風葉凹處從而在A風葉凹側(cè)形成較高壓力，驅(qū)動A風葉的轉(zhuǎn)動。N=7，W=10型風力機，由于A風葉下方兩導(dǎo)流葉片間距過大，導(dǎo)致后導(dǎo)流葉片對前導(dǎo)流葉片分離渦的導(dǎo)流效果差，前導(dǎo)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(dǎo)流葉片間距過小，多個導(dǎo)流葉片的分離渦發(fā)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(jié)構(gòu)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(qū)間內(nèi)渦量云圖

圖5 三種結(jié)構(gòu)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(jié)論

本文對不同風葉數(shù)，導(dǎo)流葉片數(shù)組合的某型風力機進行數(shù)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(shù)隨尖速比、風葉數(shù)量，導(dǎo)流葉片數(shù)量等的變化規(guī)律。風能利用系數(shù)的主要影響因素是尖速比，不同風葉數(shù)，導(dǎo)流葉片數(shù)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(dǎo)流葉片組合為風葉數(shù)為7，導(dǎo)流葉片數(shù)為16，風能利用系數(shù)最高可達到15.51%。當導(dǎo)流葉片數(shù)小于16時，迎風側(cè)做功區(qū)導(dǎo)流葉片邊緣的分離渦發(fā)展較充分體量較大，易與風葉遠心端的分離渦發(fā)生聚合，進而阻礙了氣流進入風葉凹側(cè)做功；迎風側(cè)阻力區(qū)由于導(dǎo)流葉片間隙過大導(dǎo)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(cè)的沖擊，增大了風葉凸側(cè)產(chǎn)生的阻力。當導(dǎo)流葉片數(shù)量大于16時，迎風側(cè)做功區(qū)均勻陣列的導(dǎo)流葉片形成的導(dǎo)流方向與風葉在導(dǎo)流葉片附近的速度切線夾角過小，使得導(dǎo)流葉片產(chǎn)生的分離渦與風葉遠心端產(chǎn)生的渦聚合程度高。這些渦結(jié)構(gòu)改變了風葉表面的壓力分布，導(dǎo)致風葉做功能力下降。