王睿 韓雪 張洪福 辛大波

(1．黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027; 2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

基于動網(wǎng)格技術(shù)的阻力型風(fēng)機(jī)氣動性能數(shù)值模擬

王睿1韓雪1張洪福2辛大波2

(1．黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027; 2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090)

以一種新型阻力型葉片為研究對象，利用動網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值模擬方法，對葉片在多個轉(zhuǎn)速下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到葉片的輸出扭矩、輸出功率和風(fēng)能利用系數(shù)，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速在30 r/min時葉片氣動性能效果最佳。

葉片氣動性能，數(shù)值模擬，輸出功率，風(fēng)能利用率

隨著社會的發(fā)展能源需求的不斷增加，清潔環(huán)保能源日益提上日程，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種無污染的可再生能源具有大規(guī)模的發(fā)展?jié)摿Γ?］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，水平軸風(fēng)機(jī)是目前技術(shù)比較成熟、占據(jù)主流市場的產(chǎn)品，但由于結(jié)構(gòu)原因，水平軸風(fēng)機(jī)具有一些不可避免的缺陷，而且技術(shù)專利多為國外公司所有。對國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展極為不利［2-4］。垂直軸風(fēng)力機(jī)因其風(fēng)力利用率高，啟動風(fēng)速低等優(yōu)點(diǎn)具有廣闊的發(fā)展前景［5］。本文以垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)阻力型葉片為研究對象，利用數(shù)值模擬方法開展對其氣動性能的研究。

1 氣動性能物理量

1．1 葉輪功率

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪公式如下：

其中，P為葉片接收風(fēng)能的有效功率，W;M為葉片接收風(fēng)能的轉(zhuǎn)矩，N·m;ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min。

1．2 扭矩系數(shù)

扭矩是表征風(fēng)力機(jī)性能的重要參數(shù)，扭矩系數(shù)的表達(dá)式為：

其中，CM為扭矩系數(shù);ρ為空氣密度，kg/m3;v為來流風(fēng)速，m/s;S為葉輪掃過的面積，m2;R為風(fēng)輪直徑，m。

1．3 風(fēng)能利用系數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率與風(fēng)輪掃掠面內(nèi)風(fēng)能總量的比值定義為風(fēng)能利用系數(shù)，用Cp表示公式如下：

2 葉片的類型和參數(shù)

該阻力型風(fēng)機(jī)為三葉片，葉片旋轉(zhuǎn)直徑4 200 mm，每個葉片形狀由兩段拋物線確定，風(fēng)機(jī)四周有8個集風(fēng)板，假設(shè)風(fēng)機(jī)受風(fēng)高度為8 m，風(fēng)機(jī)具體參數(shù)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)二維尺寸圖（單位：mm）

3 數(shù)值模擬方法及結(jié)果分析

模擬采用動網(wǎng)格技術(shù)選用中k—ε的RNG模型，分別模擬葉輪在轉(zhuǎn)速為：10 r/min，20 r/min，30 r/min，40 r/min，50 r/min 工況下的葉片氣動性能。

3．1 網(wǎng)格的劃分

采用Gambit軟件對葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分均采用三角形網(wǎng)格，在葉輪及積風(fēng)板處對網(wǎng)格進(jìn)行加密［5］，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

其中圓形以外區(qū)域為靜區(qū)域，圓形內(nèi)部為動網(wǎng)格區(qū)域，每個葉片上選取162個節(jié)點(diǎn)，集風(fēng)板上選取40個節(jié)點(diǎn)，圓形邊界選取200個節(jié)點(diǎn)。動區(qū)域(圓形內(nèi)部)網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

3．2 輸出功率和風(fēng)能利用率

阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為：10 r/min，20 r/min，30 r/min，40 r/min，50 r/min時輸出功率和風(fēng)能利用率如圖4，圖5所示。

由表1可得，隨著轉(zhuǎn)速的增大，扭矩逐漸減小。由圖4，圖5可得，轉(zhuǎn)速在10 r/min～30 r/min時，葉片的輸出功率和風(fēng)能利用率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r/min時，功率和風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值，當(dāng)大于30 r/min時功率和風(fēng)能利用率急劇下降，所以在30 r/min時氣動性能最佳。

圖2 網(wǎng)格區(qū)域劃分圖

圖3 葉輪處動網(wǎng)格區(qū)域劃分圖

圖4 功率圖

圖5 風(fēng)能利用率圖

4 結(jié)語

本文通過對垂直軸阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動性能的數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：1)隨著轉(zhuǎn)速的增加，該風(fēng)機(jī)氣動扭矩呈現(xiàn)遞減趨勢，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。2)該風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率與功率隨轉(zhuǎn)速的增加總體上先增大后減小，在30 r/min時氣動性能最佳，以此可以作為該風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

［1］田海姣，王鐵龍，王 穎．垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概［J］．應(yīng)用能源技術(shù)，2006，5(11)：22-27．

［2］Tian H J，Wang T L，Wang Y．Summarize the development of the vertical axis wind turbine［J］．Applied Energy Technology，2008，15(12)：20-25．

［3］蓋曉玲，田 德．風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展與概況［J］．農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2009，9(4)：30-33．

［4］Standish K C，Dam C P．Aerodynamic analysis of blunt trailing edge airfoils［J］．Journal of Solar Energy Engineering，2006，3 (4)：79-87．

［5］王 凡．風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計方法研究［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報，2007，10(5)：50-53．

Numerical simulation on aerodynamic performance of resistance-type fan based on dynamic grid technique

WANG Rui1HAN Xue1ZHANG Hong-fu2XIN Da-bo2

(1．College of Construction Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China; 2．School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)

Taking a new kind of resistance-type blade as the research target，applying the numerical simulation method of dynamic grid technique，the article carries out numerical simulation on the blade under various rotating speeds，and obtains the output torque，output power and wind energy utilization coefficient of the blade．Results show that：the aerodynamic performance of the blade is optimal when the rotating speed is 30 r/min．

aerodynamic performance of the blade，numerical simulation，output power，utilization rate of wind energy

TU602

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.139

1009-6825(2013)10-0229-03

2013-01-28

王 睿(1987-)，女，在讀碩士; 韓 雪(1969-)，男，教授; 張洪福(1989-)，男，在讀碩士;辛大波(1978-)，男，副教授