摘 要：直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)特性一直是其研究的難題，葉輪旋轉(zhuǎn)過程中葉片速度的分布特性使其難點(diǎn)之一。文章將采用Fluent軟件對(duì)雙葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同相位角下的葉片速度進(jìn)行分析，為了簡(jiǎn)化模型減少計(jì)算量，采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)分析得到，風(fēng)輪流場(chǎng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，葉片周圍流場(chǎng)呈現(xiàn)周期性分布，葉片相位角轉(zhuǎn)到45°時(shí)開始在葉片后緣產(chǎn)生氣流分離，產(chǎn)生輕失速。當(dāng)相位角為90°時(shí)葉片表面的氣流嚴(yán)重分離，后駐點(diǎn)已經(jīng)到達(dá)葉片前緣1/3處，產(chǎn)生了深度失速。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)；氣動(dòng)特性；Fluent

前言

伴隨全球能源危機(jī)的爆發(fā)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電越來越受到各國政府的重視，促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的快速發(fā)展。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為兩類，一類是發(fā)展相對(duì)比較成熟的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，另一類是發(fā)展相對(duì)不成熟的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的上流場(chǎng)對(duì)下流場(chǎng)的影響和葉片功角的不斷變化，使得其流場(chǎng)非常復(fù)雜，這使得發(fā)展最早的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)卻沒有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究的成熟。伴隨計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)得到飛速發(fā)展，研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)流場(chǎng)特性成為可能。因此，文章將利用Fluent針對(duì)雙葉片直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，為研究人員提供參考[1]。

1 直線翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型建立

如果采用三維模型進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)的網(wǎng)格數(shù)量將達(dá)到三百萬以上，對(duì)于四核處理器的電腦將計(jì)算兩天多，而采用二維模型計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量將大大降低到十萬網(wǎng)格。其中葉輪旋轉(zhuǎn)直徑為D=2m，葉片翼型編號(hào)為NACA0021，弦長為c=265mm。如圖1為風(fēng)機(jī)葉輪劃分網(wǎng)格后的二維有限元模型。

邊界條件采用速度入口且入口速度為8m/s；出口采用壓力出口，且其出口壓力值采用默認(rèn)的壓力值0Pa；計(jì)算域邊界區(qū)域采用對(duì)稱邊界條件；計(jì)算域采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，將其分為旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū)，旋轉(zhuǎn)區(qū)與靜止區(qū)交界采用interface邊界條件，其它采用默認(rèn)邊界條件Wall。

2 ANSY Fluent12.0的仿真分析

此仿真計(jì)算采用定常數(shù)無壓縮粘性流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生深度失速現(xiàn)象。因此，仿真采用湍流模型進(jìn)行計(jì)算，模型采用k-ω SST。采用基于壓力隱式Couple算法進(jìn)行求解，并利用二階迎風(fēng)差分格式離散。將計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置為360步，由此設(shè)定風(fēng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)5°計(jì)算一次，其計(jì)算結(jié)果如圖2所示，當(dāng)相位角為0°時(shí)，氣流附著在葉片表面流動(dòng)，此時(shí)葉片沒有產(chǎn)生失速現(xiàn)象，有利于葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即有利于葉片吸收風(fēng)能。當(dāng)葉片相位角為90°時(shí)，葉片上表面分離氣流已經(jīng)前移到前緣，基本覆蓋整個(gè)葉片上表面，此時(shí)葉片處于深度失速狀態(tài)。當(dāng)葉片相位角為180°時(shí)，葉片表面氣流為附著流動(dòng)，此時(shí)葉片表現(xiàn)最大流速產(chǎn)生在葉尾處，這是由于葉片的運(yùn)動(dòng)方向與氣流方向相同。當(dāng)葉片相位角為270°時(shí)，葉片表現(xiàn)氣流再次產(chǎn)生分離現(xiàn)象，此時(shí)葉片上表面的氣流分離比葉片相位角為90°時(shí)的分離更加靠近葉片前緣，分離效果更加嚴(yán)重，這是因?yàn)樯狭鲌?chǎng)對(duì)下流場(chǎng)的影響的結(jié)果。

3 結(jié)束語

由上述分析和論述可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：

（1）葉片相位角轉(zhuǎn)到45°時(shí)開始在葉片后緣產(chǎn)生氣流分離，產(chǎn)生輕失速。當(dāng)相位角為90°時(shí)葉片表面的氣流嚴(yán)重分離，后駐點(diǎn)已經(jīng)到達(dá)葉片前緣1/3處，產(chǎn)生了深度失速。

（2）當(dāng)氣流穩(wěn)定時(shí)，葉片表面的流速呈現(xiàn)周期性變化。

參考文獻(xiàn)

[1]惠萬馨.垂直軸風(fēng)力機(jī)三維氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬及分析[J].現(xiàn)代電力，2013（1）.