謝 晶，王亞軍，羅秉東，宋寧亮

（1.貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴陽(yáng) 550001；2.廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院，廈門 361005）

阻力型（Savonius）垂直軸風(fēng)力機(jī)主要依靠面對(duì)來(lái)風(fēng)方向的凹凸葉片上產(chǎn)生的阻力差驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)速慢、風(fēng)能利用效率低（最大風(fēng)能利用系數(shù)CP，max一般只能達(dá)到0.2左右［1］），但是它具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以在任意風(fēng)速下運(yùn)行，充分地利用升力型（Darrieus）垂直軸風(fēng)力機(jī)或者水平軸風(fēng)力機(jī)不能利用的風(fēng)能資源，風(fēng)力發(fā)電的總體效率得到了補(bǔ)償，而且Savonius型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易，特別是電機(jī)部分可以安裝在建筑物或其他物體的表面，日常維護(hù)處理相當(dāng)簡(jiǎn)單，作為一種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以應(yīng)用于風(fēng)力資源豐富地區(qū)的民宅的小型風(fēng)力發(fā)電，城市公共照明及景區(qū)夜景工程的離網(wǎng)供電，具有很好的開(kāi)發(fā)意義和發(fā)展前景。本文將以輸出功率100 W帶導(dǎo)風(fēng)簾的Savonius型風(fēng)力機(jī)為例，給出一個(gè)Savonius風(fēng)力機(jī)的最佳結(jié)構(gòu)方案，然后運(yùn)用流體工程模擬軟件Fluent對(duì)未安裝導(dǎo)風(fēng)簾和安裝不同長(zhǎng)度導(dǎo)風(fēng)簾的Savonius型風(fēng)力機(jī)周圍的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)模擬結(jié)果比較無(wú)導(dǎo)風(fēng)簾和不同長(zhǎng)度導(dǎo)風(fēng)簾的效果。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Savonius型風(fēng)力機(jī)的性能和效率與結(jié)構(gòu)有關(guān)，優(yōu)化選擇葉片數(shù)目、高徑比和折疊率對(duì)于提高Savonius型風(fēng)力機(jī)的性能和效率非常重要。

1）葉片數(shù)目 Savonius型風(fēng)力機(jī)可以采用兩支葉片或者三支葉片，其中三支葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中，當(dāng)風(fēng)吹向葉輪時(shí)，前一支槳葉上的氣流會(huì)反彈到后一支槳葉上產(chǎn)生反方向的旋轉(zhuǎn)，不利于充分利用風(fēng)力的能量［2－3］，所以本文選用兩葉片結(jié)構(gòu)的Savonius型風(fēng)力機(jī)。

2）高徑比 風(fēng)輪高度H與葉片直徑d的比值α稱為風(fēng)輪高徑比。當(dāng)α取4.0時(shí)，Savonius型風(fēng)力機(jī)有最高的風(fēng)能利用系數(shù)［4－5］。因此本文的風(fēng)輪高度取1024 mm，葉片直徑取256 mm。另外，葉片厚度取10 mm（這樣的厚度對(duì)葉片的模擬計(jì)算影響不大）。

3）折疊率 Savonius型風(fēng)力機(jī)端面板之間可以采用中心轉(zhuǎn)軸也可以采用交疊結(jié)構(gòu)，后者風(fēng)能利用系數(shù)更高［1］。本文采用交疊結(jié)構(gòu)，兩葉片折疊率β為交疊部分寬度e與葉片直徑d的比值，當(dāng)β取1／6時(shí)Savonius型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)最大［2－4］；由于葉片直徑d確定為256 mm，因此本文的兩葉片之間交疊部分寬度e取42 mm。

導(dǎo)風(fēng)簾裝置作為風(fēng)的偏轉(zhuǎn)盤置于風(fēng)輪的前端，可以使氣流集中吹向凹下葉片增加風(fēng)輪的正轉(zhuǎn)矩值，同時(shí)減少吹向凸起葉片的氣流減小葉輪的負(fù)轉(zhuǎn)矩值，達(dá)到提高風(fēng)力機(jī)效率的效果［6］，并且不影響Savonius型風(fēng)力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單而且實(shí)用性強(qiáng)。如圖1所示，導(dǎo)風(fēng)簾a的一邊接觸點(diǎn)與風(fēng)輪的法線成α角，通常取30°～60°；α太小，氣流會(huì)吹到凸起葉片的下端增加負(fù)轉(zhuǎn)矩；α太大氣流過(guò)于分散，有可能減小葉輪的正轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)風(fēng)簾b的一邊在接觸處與葉輪圓周的切線成β角，一般取10°～15°；β太小，導(dǎo)風(fēng)簾不能聚集足夠大的氣流，β太大又可能使氣流過(guò)于分散。本文的設(shè)計(jì)α取45°，β取15°。

圖1 導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)示意圖

導(dǎo)風(fēng)簾的長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)風(fēng)效果有很大影響，若導(dǎo)風(fēng)簾長(zhǎng)度過(guò)短，不能起到聚集氣流的目的，而導(dǎo)風(fēng)簾長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生更大的摩擦力，氣流的分離和流場(chǎng)面積的驟縮，使得轉(zhuǎn)矩值減小，產(chǎn)生不利影響。因此本文設(shè)計(jì)了三種不同長(zhǎng)度的導(dǎo)風(fēng)簾，分別是能恰好覆蓋有效流場(chǎng)的短導(dǎo)風(fēng)簾，覆蓋1.5倍有效流場(chǎng)寬度的中導(dǎo)風(fēng)簾和遮蓋2倍有效流場(chǎng)寬度的長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾，見(jiàn)表1。

表1 導(dǎo)風(fēng)簾長(zhǎng)度 mm

優(yōu)化后的Savonius型風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)性能得到了改善，風(fēng)能利用系數(shù)CP接近理想值0.32，轉(zhuǎn)矩系數(shù)值CM可達(dá)到0.36［4］。基本參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，該結(jié)果將為后面的流場(chǎng)模擬提供依據(jù)。

表2 Savonius型風(fēng)力機(jī)的性能參數(shù)優(yōu)選和計(jì)算結(jié)果參數(shù)

風(fēng)輪直徑D：

式中：d為葉片直徑，256 mm；e為交疊寬度，42 mm。

由此可以得到，風(fēng)輪直徑D為470 mm。

風(fēng)輪的掃風(fēng)面積A：

式中：H為葉片直徑，取1024 mm。

由此風(fēng)輪直徑掃風(fēng)面積為0.48 m2。

輸出功率P：

式中：CP為風(fēng)能利用系數(shù)，0.32；ρ為空氣密度，通?？扇?.29 kg／m3，V為風(fēng)速，10 m／s。

由此可以得到，風(fēng)力機(jī)的輸出功率為99 W。

轉(zhuǎn)矩M：

式中：CM為轉(zhuǎn)矩系數(shù)值，0.36。

由此可以得到，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩為2.62 Nm。

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速N：

式中：ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度；λ為風(fēng)輪尖速比，0.88。

由此可以得到，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為358 r／min。

2 流場(chǎng)模擬及其結(jié)果分析

本文利用流體工程運(yùn)用的CFD軟件Fluent對(duì)無(wú)導(dǎo)風(fēng)簾和三種不同長(zhǎng)度（長(zhǎng)度分別為覆蓋有效流場(chǎng)寬度的1.0倍、1.5倍和2.0倍）導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)葉片周圍的流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算：先在前處理軟件Gambit中建立幾何區(qū)域和網(wǎng)格劃分；然后選擇二維分離隱式求解器；求解采用能量方程；設(shè)定速度入口、壓力出口和固壁邊界條件［7－9］，把葉片在來(lái)流方向上的迎風(fēng)面和背風(fēng)面作為壁面邊界（葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只需要將兩壁面設(shè)定為旋轉(zhuǎn)壁面）。在求解模型選擇雷諾數(shù)Re很大的湍流模式時(shí)，未加導(dǎo)風(fēng)簾的Savonius型風(fēng)力機(jī)采用單方程（Spalart-Allmaras）模型，帶有導(dǎo)風(fēng)簾的采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型；然后設(shè)置各自的求解控制參數(shù)；進(jìn)行迭代計(jì)算并得到收斂解。利用Fluent提供的圖形工具顯示求解結(jié)果中包含的圖形信息，得到各種不同設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)在風(fēng)洞中處于靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的流場(chǎng)模擬結(jié)果，這些結(jié)果用葉片上的壓力系數(shù)分布和葉片周圍氣流的速度分布表達(dá)。通過(guò)對(duì)四種結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析得到Savonius型風(fēng)力機(jī)的最佳優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1 未加導(dǎo)風(fēng)簾

未加導(dǎo)風(fēng)簾的Savonius型風(fēng)力機(jī)，流場(chǎng)的壓力分布和氣流的速度分布都不利于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

1）壓力系數(shù) 圖2是葉片在靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力系數(shù)分布模擬結(jié)果，可以看到在來(lái)流方向上兩支葉片的前側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)大高壓區(qū)。圖中上側(cè)的凹下葉片正向壓力系數(shù)大于逆向壓力系數(shù)，有利于風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)，但是圖中下側(cè)的凸起葉片逆向壓力系數(shù)大于正向壓力系數(shù)，阻礙了風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)，降低了風(fēng)能的利用效率。

圖2 葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力系數(shù)分布

2）速度分布 Savonius型風(fēng)力機(jī)葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)氣流速度的分布如圖3所示?？梢钥吹皆趤?lái)流方向上，風(fēng)力機(jī)的兩支葉片交疊部分處出現(xiàn)了較明顯的空氣流動(dòng)，凹下葉片前側(cè)的氣流通過(guò)交疊部分補(bǔ)充了凸起葉片后側(cè)的空氣流，有利于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，這說(shuō)明采用無(wú)中心轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)是有效的。從圖中的上部可以看到，凹下葉片前側(cè)的氣流速度較低，后側(cè)速度增大，但兩側(cè)速度差值并不是很大，而且空氣流動(dòng)也并不顯著。從圖中的下部可以看到，凸起葉片后側(cè)的氣流速度比前側(cè)速度大，不利于風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)，在凸起葉片后側(cè)的氣體流動(dòng)同樣不是很明顯。

圖3 葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度分布

因此，Savonius型風(fēng)力機(jī)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其空氣動(dòng)力學(xué)特性，提高運(yùn)行效率。

2.2 加裝短導(dǎo)風(fēng)簾

加入導(dǎo)風(fēng)簾后風(fēng)力機(jī)的性能有很大改善。

互聯(lián)化、電氣化、共享化和自動(dòng)化是未來(lái)汽車行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)?？祵幰云洫?dú)特的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)對(duì)汽車行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)朝著更潔凈、更安全、更互聯(lián)的方向發(fā)展?？祵幵谥袊?guó)本土生產(chǎn)的排放控制解決方案，幫助汽車制造商滿足更嚴(yán)格的汽油車輛新國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)?？祵幤嚥Ａ軌虼蛟燧p量化且抗損的車窗，并實(shí)現(xiàn)通常只有智能手機(jī)上才有的車載顯示觸屏體驗(yàn)。

1）壓力系數(shù) 圖4是加裝短導(dǎo)風(fēng)簾后風(fēng)力機(jī)周圍壓力系數(shù)分布的模擬結(jié)果。從圖4的上部可以看到，加入導(dǎo)風(fēng)簾后，在來(lái)流方向上，上側(cè)的導(dǎo)風(fēng)簾使得氣流集中流向凹下葉片，前側(cè)的正向壓力系數(shù)增大，前后側(cè)的壓力差值也隨之變大。從圖4的下部可以看到，下側(cè)的導(dǎo)風(fēng)簾擋住了原本作用在凸起葉片前側(cè)的氣流，加上導(dǎo)風(fēng)簾合理的角度設(shè)計(jì)，把氣流引向凹下葉片，使得凸起葉片前側(cè)的逆向壓力系數(shù)明顯減小，從而有利于風(fēng)輪的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但是由于導(dǎo)風(fēng)簾不夠長(zhǎng)，凸起葉片前側(cè)的逆向壓力系數(shù)還是大于正向壓力系數(shù)。

圖4 短導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力系數(shù)分布

2）速度分布 短導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片周圍速度分布如圖5所示?？梢钥吹皆趤?lái)流方向上，凹下葉片前側(cè)速度還是較低，后側(cè)速度明顯增大，兩側(cè)速度差值相較之前有所增大，而且凹下葉片前側(cè)空氣流動(dòng)變得顯著，凸起葉片前側(cè)的速度有所增加，但是還是小于后側(cè)的速度值，在凸起葉片的后側(cè)的空氣流動(dòng)相當(dāng)明顯。

圖5 短導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度分布

2.3 加裝中導(dǎo)風(fēng)簾

中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)比短導(dǎo)風(fēng)簾具有更好效果。

1）壓力系數(shù) 中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)，壓力分布模擬結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥吹?，在來(lái)流方向上，風(fēng)輪的兩支葉片前側(cè)有一個(gè)更大的高壓區(qū)；根據(jù)圖的上部，凹下葉片前側(cè)的正向壓力系數(shù)比短導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)時(shí)還要大；圖的下部表明，凸起葉片前側(cè)的逆向壓力系數(shù)變得更小，并且在短導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)在凸起葉片后側(cè)的一個(gè)低壓區(qū)消失了，凸起葉片的正向壓力系數(shù)大于逆向壓力系數(shù)，不再阻礙風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)。

圖6 中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力系數(shù)分布

2）速度分布 中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)，氣流速度分布模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖的上部可以看到，在來(lái)流方向凹下葉片前側(cè)的速度增大，后側(cè)速度雖然出現(xiàn)較小片的低速度區(qū)，但并不影響轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖的下部可以看到，凸起葉片前側(cè)的氣流速度大于后側(cè)，前后側(cè)速度差值增加，空氣流動(dòng)明顯，對(duì)風(fēng)力機(jī)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)極為有利。

圖7 中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度分布

2.4 加裝長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾

與中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的流場(chǎng)模擬結(jié)果相比，覆蓋有效流場(chǎng)寬度2倍的長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾具有更優(yōu)的結(jié)果，具有最好空氣動(dòng)力學(xué)性能的機(jī)械。

1）壓力系數(shù) 采用長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾，風(fēng)機(jī)的壓力系數(shù)分布結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥吹?，來(lái)流方向上，凸起葉片前側(cè)出現(xiàn)了在中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)的大片低壓區(qū)，背側(cè)的正向壓力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前側(cè)的逆向壓力系數(shù)，風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)矩值增加，凹下葉片前側(cè)有更大的正向壓力系數(shù)，前后側(cè)的壓力差值增大，這比中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)具有更好的運(yùn)行效率。

圖8 長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的壓力系數(shù)分布

2）速度分布 采用長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾，風(fēng)機(jī)的氣流速度分布結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖的上部可以看到，與中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)相比，在來(lái)流方向，采用長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾后凹下葉片后側(cè)的氣流速度更大，前后側(cè)速度差值也隨之增加，空氣流動(dòng)更加顯著；從圖的下部可以看到，與中導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)相比凸起葉片前側(cè)速度值大幅增加，大于后側(cè)速度，前后側(cè)速度差值變得更大，空氣流動(dòng)也更明顯。

圖9 長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的葉片靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度分布

這種覆蓋有效流場(chǎng)寬度2倍的長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)，其運(yùn)行比較接近最佳狀態(tài)，若要得到更好的結(jié)果，還可以進(jìn)行更多次的假設(shè)和模擬，通過(guò)模擬確定最佳的優(yōu)化方式。

3 結(jié)論

Savonius型風(fēng)力機(jī)安裝導(dǎo)風(fēng)簾裝置，可以有效地偏轉(zhuǎn)和集中氣流，減小作用在凸起葉片上的負(fù)轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)簾角度α取45°，β取15°時(shí)，在設(shè)計(jì)風(fēng)速10 m／s下，通過(guò)流體工程模擬軟件Fluent對(duì)Savonius型風(fēng)力機(jī)周圍空氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，得到葉片周圍的壓力系數(shù)分布圖和速度分布圖。

經(jīng)過(guò)分析可知：帶有導(dǎo)風(fēng)簾的Savonius型風(fēng)力機(jī)比無(wú)導(dǎo)風(fēng)簾的具有更好的動(dòng)力學(xué)性能；覆蓋有效流場(chǎng)寬度2倍的長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾比短導(dǎo)風(fēng)簾和中導(dǎo)風(fēng)簾能偏轉(zhuǎn)和集中更多的氣流流向葉片，提高風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。再結(jié)合風(fēng)力機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算，可得到長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)簾設(shè)計(jì)的Savonius型風(fēng)力機(jī)已經(jīng)可作為最佳優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

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