郭少真，陳永艷，田 瑞，韓成榮，郭 欣，陳 濤，佟 鑫

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.天津平云電力科技有限公司，天津 300380）

0 引言

風能作為一種可再生能源，受到了世界上越來越多的國家和地區(qū)的關注。 開發(fā)利用風能有助于解決我國資源缺乏與環(huán)境污染的雙重問題。 根據(jù)全球風能理事會 （GWEC） 發(fā)布的數(shù)據(jù)可知，2017 年全球風電新增裝機容量達52.492 GW，累計裝機總量為539.123 GW，其中我國新增風電裝機容量達19.66 GW，占世界新增風電裝機量的37%，累計裝機量為188.392 GW，占世界裝機總量的35%，均居世界首位。 風力發(fā)電機作為將風能轉(zhuǎn)換為電能的設備，分為水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機兩種。 垂直軸風力機流場結(jié)構(gòu)比水平軸風力機流場結(jié)構(gòu)復雜，屬于典型的大分離非定常流動，利用葉素理論不能完全對其分析，所以垂直軸風力機的研究滯后于水平軸風力機。但近年來H 型垂直軸風力機也取得廣泛關注，國內(nèi)外眾多學者對于改變垂直軸風力機流場結(jié)構(gòu)從而提升做功能力的研究眾多。N A Ahmed[1]利用風洞試驗的方法對H 型垂直軸風力機端部加裝多種小翼進行了啟動性能分析，發(fā)現(xiàn)加裝端部小翼對垂直軸風力機啟動性提升超過了10%。Nathan K Rajaguru[2]利用CFD 數(shù)值模擬方法對垂直軸風力機加裝圓盤等小翼進行了研究，發(fā)現(xiàn)能夠有效提高對稱翼型垂直軸風力機的性能。 文獻[3]，[4]利用數(shù)值模擬方法對葉片后部加裝輔助翼型進行了研究，發(fā)現(xiàn)可以明顯改善主葉片周圍流場。 鄧飛[5]利用數(shù)值模擬方法對加裝葉尖小翼的垂直軸風力機進行了氣動性能的研究，得出在不同展弦比下翼尖渦流對升力大小的影響。 基于前期對于H 型垂直軸風力機的理論研究，本文針對垂直軸風力機葉尖渦設計了后緣小翼 （由于葉尖渦主要存在于葉片端部位置的5%附近，為全面影響葉尖渦，設計小翼高度為整葉片的6%～7%），通過加裝小翼影響葉尖渦，改善后緣流場以及內(nèi)部流場的方式，提高風力機的輸出特性。以風洞實驗與數(shù)值模擬兩種方法對H 型垂直軸風力發(fā)電機加裝后緣小翼的輸出特性進行了分析。

1 風力機葉片與后緣小翼參數(shù)

1.1 風力機葉片參數(shù)

本次風洞實驗葉片采用NACA0012 翼型葉片[6]，具體參數(shù)見表1。

表1 風力機葉片參數(shù)Table 1 Blade parameters of wind turbine

1.2 小翼參數(shù)

后緣小翼采用兩種，一種為根據(jù)葉片后緣形狀設計的流線型小翼，另一種為風力機小翼研究領域使用較多的平板扇型小翼，本文選用流線型小翼（圖1），小翼參數(shù)設置示意圖如圖2 所示。

圖1 小翼實物模型Fig.1 A mockup of small wing

圖2 小翼設置參數(shù)圖Fig.2 Small wing parameter Settings

本文定義小翼長度與葉片翼型弦長的比值為徑長比，其中：流線型小翼徑長比為L1/Lm，參數(shù)見表2；扇型小翼徑長比為（L1+R1）/Lm，參數(shù)見表3。實驗采用0.2，0.4，0.6 三種徑長比的小翼進行研究。 將徑長比為0.2 的流線型小翼簡稱為L0.2，將徑長比為0.4 的扇型小翼簡稱為S0.4，以此類推。

表2 流線型小翼參數(shù)Table 2 Streamlined small wing parameter table

表3 扇型小翼參數(shù)Table 3 Fan-shaped small wing parameters table

2 數(shù)值模擬實驗

2.1 計算模型

本實驗采用三維計算流體力學方法進行模擬計算。通過SolidWorks 軟件進行三維建模（圖3），同時考慮連接桿和轉(zhuǎn)軸對后緣流場造成的影響。

圖3 模型建立Fig.3 Model establishment

2.2 計算域

為讓流場不受空間邊界影響，采用15D×8D×8D 的長方體計算區(qū)域（圖4），圖中 H2=15D，V1=8D，L3=8D。

圖4 計算域Fig.4 Computational domain

2.3 網(wǎng)格劃分

常用的網(wǎng)格劃分方式包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。兩種網(wǎng)格劃分方式各有優(yōu)勢，但是本文風力機模型的結(jié)構(gòu)較為復雜，且對關鍵結(jié)構(gòu)需要進行網(wǎng)格加密處理，為更好地模擬真實流場的變化，采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，同時可以避免不必要的網(wǎng)格過密而浪費大量的計算時間。 網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation

2.4 模擬條件設置

本實驗采用的是N-S 方程的雷諾平均數(shù)值模擬（RANS）方法中的 SST k-ω 模型，結(jié)合滑移網(wǎng)格技術，利用二階迎風格式離散，求解器采用的是SIMPLE 算法迭代求解。 計算域邊界設置為速度入口，湍流強度為5%，由于出口處的速度與壓力不能確定，所以將出口設置為自由流出口。而對于壁面的設置中，實際風力機在運動中處于自由流場空間，不考慮地面粗糙度的影響，故將靜止域的壁面設置為無反射邊界條件的固定壁面。 滑移面采用滑移網(wǎng)格技術，將旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面設置為滑移面。

2.5 計算結(jié)果與分析

2.5.1 扭矩系數(shù)

風力機旋轉(zhuǎn)過程中，每個葉片所處的位置不同，導致各葉片扭矩系數(shù)的變化趨勢也不同。為了讓計算機所記錄的扭矩系數(shù)更合理，通常待風力機旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，在一個角度下，對風力機旋轉(zhuǎn)一定周期內(nèi)的扭矩系數(shù)平均值進行采樣。

圖6 為風力機穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)后，20 個周期內(nèi)單葉片扭矩系數(shù)變化的平均曲線圖。

圖6 扭矩系數(shù)變化的平均曲線Fig.6 Average variation curve of torque coefficient

由圖6 可知，加裝后緣小翼的H 型垂直軸風力機葉片最大扭矩系數(shù)要高于未加裝小翼的葉片，其中徑長比為0.6 的小翼扭矩系數(shù)最高，但是在下風向區(qū)域時，徑長比為0.6 的小翼扭矩系數(shù)要略低于無小翼的葉片扭矩系數(shù)。綜合考慮，加裝徑長比為0.4 的小翼的葉片在上風向區(qū)域時，扭矩系數(shù)要明顯高于無小翼葉片，而在下風向區(qū)域時，扭矩系數(shù)與無小翼葉片基本持平，甚至略高。

2.5.2 模擬功率分析

在 Fluent 軟件中，扭矩系數(shù)[7]為

式中：M 為風力機產(chǎn)生的總扭矩；ρ 為空氣密度；A為風輪在旋轉(zhuǎn)平面的投影面積；V1為來流速度；R為風輪旋轉(zhuǎn)半徑。

風力機輸出功率（Pt）為

式中：n 為風力機的轉(zhuǎn)速。

圖7 為運用數(shù)值模擬的方法，在不同轉(zhuǎn)速下，加裝不同徑長比的流線型小翼及不加裝小翼的風力機與加裝不同徑長比的扇型小翼及不加裝小翼的風力機功率變化曲線圖。

圖7 功率變化曲線Fig.7 Power graph

由圖7（a），（b）對比可知：隨著風輪轉(zhuǎn)速升高，風力機輸出功率不斷增大，在相同小翼情況下，徑長比的影響使加裝小翼葉片的功率變化明顯；當轉(zhuǎn)速為305 r/min 時，徑長比為0.6 的兩種小翼功率均為最高，并且S0.6>S0.4>S0.2。L0.6>L0.4>L0.2。其中S0.6比L0.6功率提升大，與無小翼葉片相比，功率最高可提升7%左右； 當轉(zhuǎn)速超過305 r/min后，徑長比為0.4 的小翼葉片輸出功率最高，并且S0.4>S0.6>S0.2，L0.4>L0.6>L0.2。其中 L0.4比 S0.4功率提升大，與無小翼葉片相比，最高功率提升可達4%左右。

2.5.3 切向力分析

葉片的輸出特性不應只局限于扭矩和功率，葉片切向力（tanα）也是判斷葉片做功能力大小的判斷標準之一。

由于本文計算的葉片安裝角β=0°，故將葉片攻角表達式化簡為

式中：α 為葉片攻角；λ 為尖速比；θ 為葉片方位角；Ct為切向力系數(shù)；Ft為切向力；C 為葉片弦長；H 為葉片展長；W 為合速度。

圖8 為風力機穩(wěn)定后，在旋轉(zhuǎn)一周時，加裝不同徑長比的流線型小翼及不加裝小翼的單葉片與加裝不同徑長比的扇型小翼及不加裝小翼的單葉片切向力變化曲線圖。

圖8 單葉片切向力隨方位角變化曲線Fig.8 The change curve of single blade tangential force with azimuth

由圖8 可知：在單葉片運動到方位角約為50°時，切向力第一次達到峰值，隨后攻角繼續(xù)增大，產(chǎn)生失速[8]，切向力逐漸降低；隨著攻角繼續(xù)增大，當葉片的方位角為110°時，切向力出現(xiàn)第二次峰值；在達到峰值時，加裝小翼葉片較無小翼葉片相比，峰值略有提高，其中加裝0.6 扇型小翼的葉片切向力提升幅度最大。

3 風洞實驗

3.1 實驗設備

實驗在內(nèi)蒙古工業(yè)大學風能太陽能利用技術教育部重點實驗室中吹氣式B1/K2 低速風洞開口實驗段進行。 風洞全長24.59 m，采用數(shù)字變頻技術調(diào)節(jié)風洞風速，并通過智能型熱式風速儀標定風速。 實驗設備包括Fluke 公司生產(chǎn)的Fluke Norma5000 高精度功率分析儀、美爾諾M9812 型可編程LED 直流電子負載箱。小翼采用亞克力材質(zhì)，使用塑料膜包裹固定于葉片后緣。

3.2 實驗結(jié)果及其分析

兩種后緣小翼通過改變徑長比與無小翼的風力機進行對比。圖9 為采用風洞實驗的方法，在不同轉(zhuǎn)速下，加裝不同徑長比的流線型小翼及不加裝小翼的風力機與加裝不同徑長比的扇型小翼及不加裝小翼的風力機功率變化曲線圖。

圖9 功率變化曲線Fig.9 Power curve

由圖9（a）可知：當風力機的轉(zhuǎn)速小于 300 r/min 時，L0.6小翼與其他流線型小翼和無小翼相比，輸出功率最高，其中在300 r/min 轉(zhuǎn)速時，L0.6小翼較無小翼功率相比，提升最高，提升了約為6.05%； 當轉(zhuǎn)速超過 300 r/min 時，L0.4小翼功率逐漸提升，其中在400 r/min 轉(zhuǎn)速時，L0.4小翼較無小翼葉片相比功率提升最大，約為5.95%。 整體來看，當轉(zhuǎn)速超過300 r/min 之后，L0.4小翼較無小翼葉片相比，功率提升大約為5.5%±0.5%。 由圖9（b）可知：當風力機轉(zhuǎn)速小于 300 r/min 時，S0.6小翼功率最高，其中在250 r/min 轉(zhuǎn)速時，S0.6小翼功率較其他扇型小翼與無小翼相比提升最大，較無小翼相比功率提升6.1%左右；當風力機轉(zhuǎn)速超過300 r/min 之后，S0.4小翼功率逐漸提升為最高，功率較無小翼葉片相比提升變化不大，功率提升大約在5.2%±0.5%左右。 數(shù)值模擬結(jié)果與風洞實驗結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

本文采用模擬計算與風洞實驗相結(jié)合的研究方法，對添加兩種不同類型后緣小翼的風力機輸出功率與未添加后緣小翼風力機的輸出特性進行了對比，得到以下結(jié)論。

①當風力機的轉(zhuǎn)速約為450 r/min 時，其輸出功率達到最大值，隨后由于失速效應的原因，轉(zhuǎn)速提升，功率逐漸降低。

②后緣小翼對風力機功率有較大影響： 風力機在轉(zhuǎn)速為305 r/min 內(nèi)時，徑長比為0.6 的扇型小翼最優(yōu)，徑長比為0.6 的流線型小翼次之；而轉(zhuǎn)速超過305 r/min 后，徑長比為0.4 的流線型小翼最優(yōu)，徑長比為0.4 的扇型小翼其次。

③在上風向區(qū)域時，加裝小翼的葉片扭矩系數(shù)明顯高于未加裝小翼的葉片的扭矩系數(shù)，其中加裝徑長比0.6 小翼的葉片扭矩系數(shù)最優(yōu)； 在下風向區(qū)域時，加裝小翼的葉片與未加裝小翼的葉片扭矩系數(shù)基本持平。

④當葉片的方位角為50°和110°時切向力達到峰值，加裝小翼較無小翼葉片相比，切向力峰值略有提高，但同時無小翼葉片短時間內(nèi)切向力變化幅度較小，在風輪運轉(zhuǎn)時更為穩(wěn)定。