李鹿野，張維競(jìng)

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

分布式電網(wǎng)是未來(lái)的新能源發(fā)展趨勢(shì)，小型發(fā)電設(shè)備可以滿足用戶照明、電器使用等最基本的生活需要，在使用清潔能源的同時(shí)有效降低大型電站輸送過(guò)程中所造成的電能損失。分布式電網(wǎng)常見(jiàn)的利用形式有風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物能等。本文研究的對(duì)象是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

Savonius 小型垂直式風(fēng)機(jī)于1931 年由芬蘭工程師Savonius 提出，其具有能夠在低風(fēng)速下起動(dòng)，不受風(fēng)向限制和結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)［1］。典型結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓形葉片構(gòu)成，斷面呈“S”型(如圖1 所示)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了探究。風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)研究了葉片數(shù)目［2］、高徑比(d/h)［3］以及葉片重疊比(e/d)［3］等參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響，得出了各項(xiàng)的最優(yōu)區(qū)間;計(jì)算機(jī)仿真了得到葉片周圍流體的速度矢量分布以及葉片表面各處的壓力分布情況［4－5］。

盡管對(duì)于該型風(fēng)機(jī)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是該型風(fēng)機(jī)的固有缺點(diǎn)依然存在，Savonius 風(fēng)力機(jī)的整體風(fēng)能利用率較其他風(fēng)機(jī)偏低。因此，需要對(duì)該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以規(guī)避上述問(wèn)題。Burcin Deda Altan、Kunio Irabu 等人［6－8］提出了應(yīng)用導(dǎo)流板來(lái)增加風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的方法，但是并沒(méi)有對(duì)導(dǎo)流板的各因素對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響進(jìn)行更為深入的探討。本文通過(guò)數(shù)值仿真方法討論了導(dǎo)流板的各因素對(duì)該型風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響及其合理使用的可能，為該型風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 基本方程與計(jì)算方法

本文研究的風(fēng)機(jī)尺寸如圖1 所示，葉片圓弧直徑d=0．5 m，葉片重疊比e/d =0．1，葉片高度h =1 m。

圖1 Savonius 型風(fēng)機(jī)外型

式中 u——流體速度;

u'——脈動(dòng)瞬時(shí)值;x——流體位移;p——流體壓力;ρ——流體密度;μ——流體動(dòng)力粘度;S——源。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型

式中

ε——湍流耗散率;

Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k 的產(chǎn)生項(xiàng);

C1ε=1．44，C2ε=1．92。

2 葉片建模與驗(yàn)證

首先建立二維模型，如圖2 所示，其中Vw表示來(lái)流速度，θ 表示葉片位置。針對(duì)上文所述的風(fēng)機(jī)尺寸利用Gambit 建立幾何結(jié)構(gòu)以及生成網(wǎng)格。葉片材質(zhì)為2 mm 厚的鋼板，計(jì)算域?yàn)?0 m×40 m 的矩形區(qū)域，葉片中心距離入口距離10 m。采用混合方法劃分網(wǎng)格，即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，網(wǎng)格處理如圖3 所示，其中，葉片周圍局部加密，邊界層首層高度1 mm，共5 層。圓形區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，用Interface 與外部非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格隔開(kāi)，網(wǎng)格總數(shù)為1．7 ×104。

圖2 二維示意圖

圖3 Gambit 網(wǎng)格處理

應(yīng)用Fluent 作為流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器，在二維模型中，左側(cè)為速度入口，上下為壁面，右側(cè)為壓力出口，Vw=14 m/s，時(shí)間屬性為定常流動(dòng)。在此設(shè)定下進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算θ =45°時(shí)不同網(wǎng)格密度下葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩，結(jié)果如表1。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

可以看出網(wǎng)格數(shù)為1．7 ×104可滿足計(jì)算精度，同時(shí)降低計(jì)算量，本文研究中統(tǒng)一采用這種網(wǎng)格密度。

在二維模型的基礎(chǔ)上建立三維模型，建模過(guò)程中應(yīng)用葉片沿轉(zhuǎn)軸方向的對(duì)稱性，將一半的風(fēng)機(jī)置于20 m×40 m×1 m 的計(jì)算域中。葉片網(wǎng)格分布如圖4 所示，網(wǎng)格數(shù)量為1．04 ×106。勢(shì)上相吻合，且誤差都在10%以內(nèi)，該數(shù)值模型能夠?yàn)橹蟮臄?shù)值計(jì)算提供較為可靠的計(jì)算基礎(chǔ)。基于這一事實(shí)，本文的研究均采用二維模型。

圖4 三維葉片示意圖

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

圖5 二維、三維仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Robert 等人對(duì)此風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)［10］，在確定來(lái)流方向條件下，葉片每隔10°轉(zhuǎn)動(dòng)一次，通過(guò)葉片與來(lái)流方向相對(duì)角度的變化來(lái)模擬不同的來(lái)流方向以及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí)的風(fēng)機(jī)表現(xiàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了θ 在特定位置下葉片相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸所產(chǎn)生的力矩大小。本文采用上述實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為本文數(shù)值模型的校正基礎(chǔ)。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)以180°為一個(gè)周期，從風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，葉片在15° ～105°之間輸出力矩較大［11］，而在其余范圍內(nèi)輸出力矩較小，因此本文重點(diǎn)討論在該角度范圍內(nèi)的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果。二維、三維仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示，通過(guò)圖5 可以看出，二維、三維數(shù)值仿真均與風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果在整體趨

本文在來(lái)流方向增加導(dǎo)流板，以提高風(fēng)機(jī)效率，安裝導(dǎo)流板的風(fēng)機(jī)俯視圖如圖6 所示，網(wǎng)格細(xì)節(jié)處理如圖7 所示。

圖6 導(dǎo)流板示意圖

圖7 加入導(dǎo)流板后網(wǎng)格處理圖

本文主要討論的導(dǎo)流板影響對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的影響因素有導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α，導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 以及導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x。

數(shù)值計(jì)算首先討論導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α對(duì)葉片力矩的影響，其中設(shè)定導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1 m，導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離為x=0．025 m。當(dāng)α分別為30°、45°、60°時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生力矩的變化如圖8 所示。計(jì)算中選取力矩較大的三個(gè)位置，即θ分別為35°、45°和55°的情況作為對(duì)比分析。通過(guò)圖8 可以看出，增加導(dǎo)流板后，風(fēng)機(jī)靜態(tài)力矩明顯提高，導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α=60°時(shí)效果最為明顯，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高幅度為20% ～30%;α =30°情況下靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高了10% ～20%;α =45°時(shí)，提高幅度為15% ～30%。α =45°，θ =45°位置處的速度云圖如圖9 所示。

圖8 導(dǎo)流板與來(lái)流角度α 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

圖9 加入導(dǎo)流板后速度云圖

討論導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 對(duì)葉片力矩的影響，固定導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角為α =60°且導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離為x =0．025 m，研究導(dǎo)流板長(zhǎng)度L分別為0．6 m、1 m 與1．4 m 時(shí)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的變化。圖10 的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=0．6 m 時(shí)，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩平均提高25%左右，而當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1． 4 時(shí)，這一數(shù)值可以達(dá)到30% ～40%。因此可以看出導(dǎo)流板越長(zhǎng)帶來(lái)的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩提高就越明顯。但是隨著導(dǎo)流板長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致更高的制造成本和安全隱患，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)控制導(dǎo)流板長(zhǎng)度在合理的范圍內(nèi)。在今后的研究中，需要對(duì)導(dǎo)流板長(zhǎng)度的合理范圍進(jìn)行更加深入的探索。

圖10 導(dǎo)流板長(zhǎng)度L 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

圖11 導(dǎo)流板位置x 對(duì)風(fēng)機(jī)力矩的影響

討論導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x 對(duì)葉片靜態(tài)力矩的影響，取導(dǎo)流板長(zhǎng)度L =1 m，導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α=60°，x 分別為0．025 m、0．01 m 與0．04 m。通過(guò)圖11 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離x =0．04 m 時(shí)，在葉片處于θ=35°位置時(shí)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩改善明顯優(yōu)于其他兩種工況，然而當(dāng)葉片處于θ =55°位置時(shí)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩改善效果與其他兩種工況相當(dāng)。說(shuō)明導(dǎo)流板與葉片之間較大的距離并不一定提供更高的靜態(tài)力矩。對(duì)比幾種情況發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)流板位置x，葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩均提高了20% ～30%左右，不同的導(dǎo)流板位置對(duì)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的提升的差異并不明顯，體現(xiàn)出了有限的影響作用，因此在實(shí)際工程中可以根據(jù)制造難度、安裝難度以及安全距離對(duì)導(dǎo)流板位置作靈活調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的仿真結(jié)果可以看出，增加導(dǎo)流板能夠顯著提高Savonius 型風(fēng)機(jī)的靜態(tài)力矩，進(jìn)而提高了風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率。通過(guò)設(shè)置不同的導(dǎo)流板長(zhǎng)度、角度以及安裝位置，討論了不同導(dǎo)流板因素對(duì)提升該型風(fēng)機(jī)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的影響。導(dǎo)流板能夠在有限增加制造成本的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行較為合理的改善，有效地彌補(bǔ)了Savonius 型風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率不高的缺陷。導(dǎo)流板對(duì)其他種類的風(fēng)機(jī)葉片靜態(tài)力矩的影響值得進(jìn)一步研究。本文主要研究了導(dǎo)流板的三個(gè)主要參數(shù)，后續(xù)研究需要對(duì)其他參數(shù)如導(dǎo)流板曲度，對(duì)葉片的遮擋面積等對(duì)力矩的影響進(jìn)行更全面的分析，也可以對(duì)如何調(diào)控導(dǎo)流板與來(lái)風(fēng)方向角度進(jìn)行深入探討。

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