黃鵬+王宏光

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對(duì)比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.結(jié)果表明，在來(lái)流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對(duì)應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點(diǎn)是可以接受任何方向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動(dòng)是典型的非定常流動(dòng)，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對(duì)其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計(jì)算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點(diǎn)，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場(chǎng).本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場(chǎng)的主要因素.

1建模與數(shù)值計(jì)算

1.1簡(jiǎn)化與建模

對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對(duì)葉輪周?chē)牧鲌?chǎng)影響，因此建立的2D簡(jiǎn)化模型如圖1所示.

1.2計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域如圖2所示.整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)閳A形，分為3個(gè)部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對(duì)葉片周?chē)木W(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對(duì)Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，翼型周?chē)扇E圓形法畫(huà)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對(duì)葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得到坐標(biāo)的無(wú)因次距離y+滿(mǎn)足1≤y

1.3計(jì)算條件設(shè)定

計(jì)算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能耗散率以及湍動(dòng)能項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計(jì)算時(shí)間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋?lái)流速度； VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對(duì)速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對(duì)來(lái)流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見(jiàn)攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，即葉尖速比一定時(shí)攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時(shí)，-14.4°

可見(jiàn)，葉片在某方位角下的相對(duì)速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來(lái)流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計(jì)算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動(dòng)情況.

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

量值差別過(guò)大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時(shí)的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時(shí)的情況.這是由于在半徑較小時(shí)，葉輪以更高的角速度完成一個(gè)周期，導(dǎo)致周?chē)》秶鷥?nèi)流場(chǎng)的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時(shí)需考慮離心力對(duì)翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時(shí)方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時(shí)，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時(shí)的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢(shì)相同，最大值基本沒(méi)有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時(shí)升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會(huì)更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)會(huì)有更加明顯的差別.

2.3流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響

為了進(jìn)一步說(shuō)明流動(dòng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響，對(duì)比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開(kāi)始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運(yùn)動(dòng)出渦帶.通過(guò)對(duì)比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過(guò)程中葉片壓力分布沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明單條渦帶對(duì)葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場(chǎng)渦量與翼型局部渦量對(duì)比圖.由圖12（a）、（b）對(duì)比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場(chǎng)中的脫落渦渦量更是在102以?xún)?nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類(lèi)型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來(lái)自于3個(gè)方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對(duì)升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)銘.論建造兆瓦級(jí)垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的合理性[J].水利電力施工機(jī)械，1995，17（4）：32-36.

[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.

[3]于沖，王旭，董福安，等.y+值對(duì)翼型氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算精度的影響研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，13（3）：25-29.

[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與非定常流動(dòng)分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動(dòng)性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對(duì)比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.結(jié)果表明，在來(lái)流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對(duì)應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點(diǎn)是可以接受任何方向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動(dòng)是典型的非定常流動(dòng)，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對(duì)其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計(jì)算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點(diǎn)，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場(chǎng).本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場(chǎng)的主要因素.

1建模與數(shù)值計(jì)算

1.1簡(jiǎn)化與建模

對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對(duì)葉輪周?chē)牧鲌?chǎng)影響，因此建立的2D簡(jiǎn)化模型如圖1所示.

1.2計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域如圖2所示.整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)閳A形，分為3個(gè)部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對(duì)葉片周?chē)木W(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對(duì)Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，翼型周?chē)扇E圓形法畫(huà)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對(duì)葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得到坐標(biāo)的無(wú)因次距離y+滿(mǎn)足1≤y

1.3計(jì)算條件設(shè)定

計(jì)算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能耗散率以及湍動(dòng)能項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計(jì)算時(shí)間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋?lái)流速度； VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對(duì)速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對(duì)來(lái)流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見(jiàn)攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，即葉尖速比一定時(shí)攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時(shí)，-14.4°

可見(jiàn)，葉片在某方位角下的相對(duì)速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來(lái)流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計(jì)算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動(dòng)情況.

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

量值差別過(guò)大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時(shí)的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時(shí)的情況.這是由于在半徑較小時(shí)，葉輪以更高的角速度完成一個(gè)周期，導(dǎo)致周?chē)》秶鷥?nèi)流場(chǎng)的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時(shí)需考慮離心力對(duì)翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時(shí)方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時(shí)，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時(shí)的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢(shì)相同，最大值基本沒(méi)有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時(shí)升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會(huì)更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)會(huì)有更加明顯的差別.

2.3流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響

為了進(jìn)一步說(shuō)明流動(dòng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響，對(duì)比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開(kāi)始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運(yùn)動(dòng)出渦帶.通過(guò)對(duì)比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過(guò)程中葉片壓力分布沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明單條渦帶對(duì)葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場(chǎng)渦量與翼型局部渦量對(duì)比圖.由圖12（a）、（b）對(duì)比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場(chǎng)中的脫落渦渦量更是在102以?xún)?nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類(lèi)型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來(lái)自于3個(gè)方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對(duì)升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)銘.論建造兆瓦級(jí)垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的合理性[J].水利電力施工機(jī)械，1995，17（4）：32-36.

[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.

[3]于沖，王旭，董福安，等.y+值對(duì)翼型氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算精度的影響研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，13（3）：25-29.

[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與非定常流動(dòng)分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動(dòng)性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.

摘要：在不考慮連桿、轉(zhuǎn)軸及葉尖損失的簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件采用雷諾平均Navier-Stokes方程與k-ω SST湍流模型對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬.對(duì)比了相同葉尖速比λ=4，葉輪半徑r分別為1 m和2 m的垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能.結(jié)果表明，在來(lái)流風(fēng)速V∞和葉尖速比λ相同的情況下，不同半徑的垂直軸風(fēng)力機(jī)具有十分相似的翼型表面壓力分布，對(duì)應(yīng)位置處的升、阻力系數(shù)相差不大.

關(guān)鍵詞：直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)； 葉尖速比； 數(shù)值模擬； 渦量圖； 俯仰頻率

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 392文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉輪繞著垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，相比水平軸其優(yōu)點(diǎn)是可以接受任何方向的風(fēng)，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低[1].由于垂直軸風(fēng)力機(jī)氣體流動(dòng)是典型的非定常流動(dòng)，相比水平軸風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜，所以對(duì)其采用的理論模型，例如單流管模型、多流管模型、雙多流管模型等[2]，都存在著許多局限與不足.

隨著計(jì)算流體力學(xué)CFD的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)日趨成熟.該方法具有信息量大、成本低、重復(fù)性好、模型易于修改等優(yōu)點(diǎn)，已能快速準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的外部流場(chǎng).本文采用Fluent軟件和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)特性，并探討影響風(fēng)力機(jī)翼型流場(chǎng)的主要因素.

1建模與數(shù)值計(jì)算

1.1簡(jiǎn)化與建模

對(duì)直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，由于z軸方向的截面翼型處處相等，且不考慮風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等組件對(duì)葉輪周?chē)牧鲌?chǎng)影響，因此建立的2D簡(jiǎn)化模型如圖1所示.

1.2計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域如圖2所示.整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)閳A形，分為3個(gè)部分，其中：Z1、Z3均為靜止部分；Z2為旋轉(zhuǎn)部分.對(duì)葉片周?chē)木W(wǎng)格進(jìn)行必要的加密處理，旋轉(zhuǎn)部分和葉片局部網(wǎng)格劃分如圖3所示.對(duì)Z1、Z2區(qū)域采用結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，Z3區(qū)域采用四邊形為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，Z2區(qū)域是滑移網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，翼型周?chē)扇E圓形法畫(huà)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，并對(duì)葉片表面進(jìn)行邊界層加密，加密網(wǎng)格共20層，按照1∶1.1的比例進(jìn)行遞增.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證得到坐標(biāo)的無(wú)因次距離y+滿(mǎn)足1≤y

1.3計(jì)算條件設(shè)定

計(jì)算的邊界條件為：左側(cè)半圓弧邊界采用速度入口邊界，方向取x軸為正方向；右側(cè)圓弧邊界出口采用壓力出口邊界，壓力值采用默認(rèn)值；將旋轉(zhuǎn)部分Z2與靜止部分Z1、Z3的交界面設(shè)定為滑移網(wǎng)格交界面[4].

對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，湍流模型選取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，動(dòng)量項(xiàng)、湍動(dòng)能耗散率以及湍動(dòng)能項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式離散.設(shè)定計(jì)算時(shí)間步數(shù)為3 000步，單次迭代50步.

2數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1模擬目標(biāo)分析

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其葉片速度三角形如圖4所示，其中：V∞為當(dāng)?shù)貋?lái)流速度； VL、Vm分別為葉片旋轉(zhuǎn)的線速度與葉片的相對(duì)速度，VL=ωR，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑；θ為翼型所處方位角.

式中：α為翼型與相對(duì)來(lái)流間的攻角.

由式（1）即可得到葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中攻角α隨方位角θ的變化曲線，如圖5所示.可見(jiàn)攻角隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，即葉尖速比一定時(shí)攻角變化規(guī)律一定.當(dāng)λ=4時(shí)，-14.4°

可見(jiàn)，葉片在某方位角下的相對(duì)速度與VL、V∞以及所在位置攻角α有關(guān).

本文在來(lái)流速度V∞=10 m·s-1和葉尖速比λ=4的條件下，模擬計(jì)算了半徑分別為1 m和2 m的風(fēng)力機(jī)葉輪瞬態(tài)流動(dòng)情況.

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

量值差別過(guò)大，圖6（a）、（b）分別采用了不同的標(biāo)尺范圍，其中圖6（a）標(biāo)尺范圍為0～30，圖6（b）標(biāo)尺范圍為0～10.從圖中可明顯看出，r=2 m時(shí)的渦量大小和分布密度都小于r=1 m時(shí)的情況.這是由于在半徑較小時(shí)，葉輪以更高的角速度完成一個(gè)周期，導(dǎo)致周?chē)》秶鷥?nèi)流場(chǎng)的變化更劇烈.

旋轉(zhuǎn)半徑不同時(shí)需考慮離心力對(duì)翼型表面附面層的影響.圖7與圖8分別給出了不同半徑時(shí)方位角分別為90°和330°處葉片壓力分布，圖中代表內(nèi)表面壓力的虛線的分布角速度較大時(shí)，內(nèi)側(cè)壓力有比較明顯的增大現(xiàn)象.

另外，由于兩種半徑時(shí)的角速度相差一倍，且攻角變化范圍相同，r=1 m和r=2 m兩種情況可以看做是葉片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的頻率進(jìn)行俯仰振蕩.相關(guān)研究[5]表明，隨著頻率的增大，最大升、阻力系數(shù)曲線趨勢(shì)相同，最大值基本沒(méi)有變化而升、阻力系數(shù)所包含的的面積變大.這一特性可以從圖9給出的r=1 m和r=2 m時(shí)升、阻力系數(shù)隨α的變化曲線中看出，且文獻(xiàn)[5]表明，隨著頻率上升這一差別會(huì)更加明顯，可以推斷：葉尖速比保持不變而轉(zhuǎn)速差別更大時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)會(huì)有更加明顯的差別.

2.3流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響

為了進(jìn)一步說(shuō)明流動(dòng)中尾跡渦對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響，對(duì)比幾組翼型壓力分布曲線，分別是葉片開(kāi)始進(jìn)入尾跡渦帶、完全處于渦帶中以及運(yùn)動(dòng)出渦帶.通過(guò)對(duì)比兩種半徑情況下的翼型壓力分布能夠比較形象地分析渦流對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響.

可看出：進(jìn)出渦帶的過(guò)程中葉片壓力分布沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明單條渦帶對(duì)葉片壓力分布影響不明顯.圖12為流場(chǎng)渦量與翼型局部渦量對(duì)比圖.由圖12（a）、（b）對(duì)比可知，葉片表面的附著渦量在104以上，而緊鄰葉片尾部的尾跡渦量在103左右，流場(chǎng)中的脫落渦渦量更是在102以?xún)?nèi)，這可能是由于單條尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布影響不明顯造成的.

由此可知，在葉尖速比相同、轉(zhuǎn)速不同的垂直軸風(fēng)力機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，流場(chǎng)中尾跡渦對(duì)葉片表面壓力分布的影響不是局部的，而是整體的.

3結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，葉尖速比相同情況下相同葉片類(lèi)型的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪葉片表面壓力分布規(guī)律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽視的.差異主要來(lái)自于3個(gè)方面：① 尾跡渦的大小與分布密度；② 俯仰頻率的不同對(duì)升、阻力系數(shù)的影響；③ 半徑不同導(dǎo)致葉片附面層的離心力不同，從而造成葉片表面壓力分布的不同.

參考文獻(xiàn)：

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[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.

[3]于沖，王旭，董福安，等.y+值對(duì)翼型氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算精度的影響研究[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，13（3）：25-29.

[4]潘宏林.垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與非定常流動(dòng)分析[D].上海：上海理工大學(xué)，2010.

[5]姚迪，陳康民，戴韌，等.低雷諾數(shù)振蕩翼型非定常氣動(dòng)性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.