吳 豫， 丁 力， 郭同慶

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司， 河南 鄭州 450018； 2.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司， 江蘇 南京 210031； 3.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院， 江蘇 南京 210016）

0 引言

能源和環(huán)境問(wèn)題是人類生存和發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。人類對(duì)能源的需求日益增加，而地球上的化石能源日漸枯竭[1]。 因此，可再生能源的開發(fā)利用，特別是風(fēng)能的開發(fā)利用，受到了世界各國(guó)的高度重視[2]。 風(fēng)電是可再生、無(wú)污染、前景廣闊的能源。為了遏制環(huán)境惡化的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展， 發(fā)展風(fēng)能作為清潔能源已成為世界各國(guó)的戰(zhàn)略選擇[3]。

風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能的裝置， 根據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸與地面的相對(duì)位置可分為水平軸風(fēng)力機(jī)[4]和垂直軸風(fēng)力機(jī)[5]。 水平軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與地面平行， 風(fēng)能利用系數(shù)可達(dá)0.48，但葉輪須要隨風(fēng)向變化而調(diào)整。垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直， 葉輪不必隨風(fēng)向改變而調(diào)整方向，但風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)較低。水平軸風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量較大、風(fēng)能利用系數(shù)較高，因此應(yīng)用非常廣泛。 不過(guò)水平軸風(fēng)力機(jī)由于自身構(gòu)造的特點(diǎn)，須要加裝偏航裝置，同時(shí)存在啟動(dòng)風(fēng)速高、低頻噪聲以及傷害野生動(dòng)物等問(wèn)題。 為此，SheerWind 能源公司開發(fā)了一款名為INVELOX（Increased Velocity）的聚風(fēng)裝置[6]。

INVELOX 頂部的集風(fēng)裝置可以收集來(lái)自四面八方的風(fēng)能， 收集到的風(fēng)經(jīng)過(guò)漏斗管道運(yùn)動(dòng)到下游的文丘里管實(shí)現(xiàn)加速， 文丘里管中布置的風(fēng)力機(jī)在最佳的風(fēng)速下將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。INVELOX 的一個(gè)重要指標(biāo)為文丘里管內(nèi)的速度與來(lái)流速度的比值，稱為速度比（SR）。 相比于傳統(tǒng)水平軸風(fēng)力機(jī)，INVELOX 不需要偏航裝置，而且得益于文丘里管的加速效應(yīng)，其啟動(dòng)風(fēng)速較低。SheerWind 能源公司對(duì)INVELOX 開展了很多測(cè)試和研究。 通過(guò)在頂部的集風(fēng)裝置加裝擋板可以提高風(fēng)能捕獲率，當(dāng)擋板數(shù)超過(guò)4 個(gè)時(shí)，風(fēng)能捕獲率趨于飽和。INVELOX 的啟動(dòng)風(fēng)速為1 m/s，風(fēng)速為6 m/s 時(shí)達(dá)到額定功率。SheerWind 能源公司對(duì)文丘里管中安裝單、 雙和3 臺(tái)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試，此外，還研究了文丘里管和漏斗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)輸出功率的影響[7]。

然而，盡管INVELOX 聚風(fēng)裝置有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)。例如，進(jìn)入漏斗的一部分空氣從背風(fēng)面逸出， 從而降低了系統(tǒng)的速度比。 鑒于此，文獻(xiàn)[8]提出了安裝擋板的改進(jìn)措施，結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速為3～12 m/s 時(shí)，安裝防漏擋板可使文丘里管的平均風(fēng)速提高25%左右。 同時(shí)， 盡管INVELOX 的發(fā)明人宣稱該裝置可以接受來(lái)自四面八方的風(fēng)，但文獻(xiàn)[8]的研究表明，該裝置僅在風(fēng)向?yàn)?90°～90°時(shí)有效。

本文基于CFD 方法開展INVELOX 聚風(fēng)裝置數(shù)值模擬研究， 首先模擬不同風(fēng)向條件下系統(tǒng)的流場(chǎng)特性， 分析某些角度下系統(tǒng)速度比減小的原因。 然后在原始模型的基礎(chǔ)上對(duì)裝置下半段進(jìn)行改造，以達(dá)到系統(tǒng)真正意義全風(fēng)向運(yùn)行的目的。

1 數(shù)值模型

本文采用三維雷諾平均N-S（Navier-Stokes）方程求解流場(chǎng)。由于流場(chǎng)中不存在熱交換，因此無(wú)須求解能量方程。 笛卡爾坐標(biāo)系下的質(zhì)量方程及動(dòng)量方程表達(dá)式為

工業(yè)流體數(shù)值模擬中常用的湍流模型主要為k-ε 模型和k-ω 模型。 考慮到文獻(xiàn)[8]已經(jīng)在其研究中討論過(guò)湍流模型對(duì)INVELOX 聚風(fēng)裝置流場(chǎng)結(jié)果的影響， 因此， 本文最終選擇了Realizable k-ε 模型。 假設(shè)流場(chǎng)為定常、不可壓。 動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式離散。 壁面函數(shù)為增強(qiáng)型壁面函數(shù)。為保證流場(chǎng)能夠收斂，所有方程的殘值收斂標(biāo)準(zhǔn)均為10-5。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的描述生成數(shù)值模擬所需模型（圖1），模型中絕大部分尺寸與文獻(xiàn)[8]中保持一致，但由于文獻(xiàn)[8]中并未給漏斗型線的具體公式，因此，本文模型中漏斗的形狀與文獻(xiàn)[8]中可能會(huì)存在一定的偏差。

圖1 INVELOX 聚風(fēng)裝置系統(tǒng)尺寸圖Fig.1 Dimensions of INVELOX wind gathering device

圖2 網(wǎng)格及計(jì)算域Fig.2 Computational mesh and domain

數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格及計(jì)算域如圖2 所示，圖中Dv 為文丘里管的直徑。 計(jì)算網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格敏感性分析見2.1 節(jié)。 最小網(wǎng)格單元尺度為0.15 m，網(wǎng)格單元總數(shù)約為136 萬(wàn)，其中INVELOX 系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)格單元數(shù)為83 萬(wàn)，外部網(wǎng)格單元數(shù)為53 萬(wàn)。 計(jì)算域的長(zhǎng)、 寬和高分別為50Dv，40Dv 和40Dv。θ 為來(lái)流方向與文丘里管軸線之間的夾角， 當(dāng)出口平面法向與來(lái)流方向一致時(shí)，θ=0°；當(dāng)出口平面法向與來(lái)流方向相反時(shí)，θ=180°。 計(jì)算域入口為速度入口邊界條件，計(jì)算域出口為壓力出口邊界條件，側(cè)面及上、下面為無(wú)滑移壁面。 本文所有工況中入口的速度均為均勻分布，速度絕對(duì)值為6.7 m/s。

2 模型驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格敏感性分析

為保證計(jì)算精度，同時(shí)降低計(jì)算成本，須要分析網(wǎng)格的敏感性。 通過(guò)對(duì)模型表面和遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化， 共生成5 套網(wǎng)格， 網(wǎng)格單元數(shù)分別為78 萬(wàn)、105 萬(wàn)、136 萬(wàn)、167 萬(wàn)和216 萬(wàn)。 圖3 為文丘里管內(nèi)平均SR 隨網(wǎng)格單元數(shù)的變化。 由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)超過(guò)136 萬(wàn)時(shí)，系統(tǒng)的SR 基本不再變化。因此，最終選擇網(wǎng)格單元總數(shù)為136萬(wàn)的網(wǎng)格作為后續(xù)模擬任務(wù)的計(jì)算網(wǎng)格。

圖3 文丘里管平均SR 隨網(wǎng)格單元數(shù)的變化Fig.3 The average SR of venturi section varying with the number of grid cells

2.2 驗(yàn)證算例

從圖3 可以看出， 本文計(jì)算得到的文丘里管內(nèi)平均SR 約為1.82，略大于文獻(xiàn)[6]的1.58 和文獻(xiàn)[8]的1.48。 事實(shí)上，為還原文獻(xiàn)中的計(jì)算結(jié)果，本文采購(gòu)的計(jì)算域與文獻(xiàn)完全相同，網(wǎng)格數(shù)量、分布基本相同，軟件中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置也保持一致。表1 為本文與文獻(xiàn)[8]中數(shù)值模型的網(wǎng)格參數(shù)對(duì)比。由表1 可知，這兩套網(wǎng)格基本一致。不過(guò)，本文計(jì)算得到的平均SR 卻與文獻(xiàn)[8]相差較大。 主要原因是模型本身存在一定差異， 特別是漏斗的形狀。 前面我們提到過(guò)，本文所生成的INVELOX 模型基本尺寸與文獻(xiàn)[8]的模型相同，但文獻(xiàn)中并未給出漏斗型線的函數(shù)表達(dá)式或其他尺寸描述。 漏斗的形狀可能影響整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)氣量， 從而影響文丘里管內(nèi)的SR。

表1 計(jì)算域及網(wǎng)格對(duì)比Table 1 Comparisons of computational domain and grid number

圖4 為本文與文獻(xiàn)[8]計(jì)算得到的對(duì)稱面內(nèi)SR 云圖。 由圖4 可知，兩種結(jié)果都模擬出了入口下唇口的分離流動(dòng)。不過(guò)，由于漏斗的形狀存在一定的差異，本文結(jié)果中的分離流區(qū)域相對(duì)較窄，即本文結(jié)果中的流道寬度D1大于文獻(xiàn)[8]的D2。 流道寬度越大，整個(gè)系統(tǒng)的阻力越小，系統(tǒng)的通風(fēng)量越大，SR 也就越大。除此之外，兩種結(jié)果的其他流動(dòng)細(xì)節(jié)基本相同。因此，可以認(rèn)為本文的模擬結(jié)果是可信的。

圖4 對(duì)稱面內(nèi)SR 云圖Fig.4 SR contours on the median cross section of INVELOX

3 結(jié)果及分析

3.1 不同風(fēng)向條件下的SR

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究：INVELOX 聚風(fēng)裝置存在的主要問(wèn)題是漏風(fēng)， 為此提出了增加隔板的改進(jìn)措施；同時(shí)，也指出了另一個(gè)問(wèn)題，即該系統(tǒng)無(wú)法在所有風(fēng)向都保持高SR。當(dāng)來(lái)流方向與文丘里管軸線的夾角超過(guò)90°時(shí)，系統(tǒng)性能急劇下降。

圖5 為文丘里管內(nèi)的平均SR 隨風(fēng)向的變化曲線。 由于模型是對(duì)稱的，所以只計(jì)算0～180°的風(fēng)向范圍。由圖5 可知：當(dāng)風(fēng)向與文丘里管軸線的夾角超過(guò)90°時(shí)，SR 急劇下降；當(dāng)夾角大于120°時(shí)，SR 變?yōu)樨?fù)值， 這意味著氣流從出口回流到文丘里管內(nèi)；本文的結(jié)果與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果稍有差異，主要是因?yàn)榍懊嫣岬降穆┒沸螤盥杂胁町悾贿^(guò)整體的趨勢(shì)基本一致。 由此可見，INVELOX 系統(tǒng)的確不能真正地從任何風(fēng)向獲取風(fēng)能。

圖5 平均SR隨風(fēng)向的變化Fig.5 The effects of wind direction on average SR

圖6 為不同風(fēng)向條件下INVELOX 的流線圖。由圖6 可知：當(dāng)來(lái)流方向與文丘里管軸線夾角小于120°時(shí)， 環(huán)境空氣從系統(tǒng)上方的迎風(fēng)面流入，一部分氣流從上方的背風(fēng)面逃逸，剩余氣流從下方的出口流出；當(dāng)夾角大于120°時(shí)，氣流同時(shí)從上方的迎風(fēng)面和下方的出口流入， 而后從上方的背風(fēng)面流出， 此時(shí)文丘里管內(nèi)的氣流方向與設(shè)計(jì)方向相反，無(wú)法為風(fēng)力機(jī)提供有效可用的風(fēng)能；當(dāng)夾角為90°時(shí)，系統(tǒng)出口平面與來(lái)流方向平行，出口附近外部的環(huán)境風(fēng)對(duì)內(nèi)部流出的氣流有一定的阻礙作用， 因此夾角為90°時(shí)的SR 略小于0°時(shí)的SR。

圖6 INVELOX 系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過(guò)文丘里管的流線隨風(fēng)向的變化Fig.6 Streamlines in the venturi section of INVELOX system under different wind direction conditions

圖7 INVELOX 系統(tǒng)對(duì)稱面內(nèi)總壓云圖對(duì)比Fig.7 The total pressure contours in the symmetric plane of INVELOX system

圖7 為風(fēng)向角分別為0°和180°時(shí)系統(tǒng)對(duì)稱面內(nèi)的總壓云圖。 截面A 為系統(tǒng)出口平面，截面B 位于漏斗下方，兩個(gè)截面的直徑相等。由圖7 可知：當(dāng)角度為0°時(shí)，截面A 位于背風(fēng)面，氣流從上方迎風(fēng)面進(jìn)入漏斗，一部分風(fēng)從背風(fēng)面逃逸，另一部分風(fēng)則進(jìn)入文丘里管， 然后從出口流出，此時(shí)，截面B 位于截面A 的上游，因此截面B 處的總壓大于截面A 處的總壓；當(dāng)角度為180°時(shí)，截面A 位于迎風(fēng)面，氣流從上方的迎風(fēng)面和下方的出口流入系統(tǒng)，然后從上方的背風(fēng)面流出，由于截面A 位于迎風(fēng)面， 因此截面A 處的總壓較高，與來(lái)流總壓相等， 頂部流入的氣流在經(jīng)過(guò)漏斗時(shí)會(huì)損失部分壓力，故截面B 處的總壓略小于截面A處，因此，從上方流進(jìn)系統(tǒng)的氣流被迫從系統(tǒng)背風(fēng)面流出， 兩種風(fēng)向條件下的氣流大致運(yùn)動(dòng)方向如圖中箭頭所示。

3.2 改善措施

為了提高出口正對(duì)來(lái)流 （夾角大于90°）時(shí)INVELOX 系統(tǒng)的氣動(dòng)性能，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即去掉系統(tǒng)的彎管，同時(shí)將安裝風(fēng)機(jī)的文丘里管豎直地布置在漏斗下方（圖8）。 為方便描述，將圖中最左側(cè)的原始模型記為Model 0，中間的直筒模型記為Model 1， 最右側(cè)的改進(jìn)模型記為Model 2。 相比于Model 0，Model 1 省去了彎管且文丘里管呈豎直布置， 因此不會(huì)出現(xiàn)出口平面正對(duì)來(lái)流的情況。 不過(guò)， 不管來(lái)流風(fēng)向如何，Model 1 的出口平面均與來(lái)流平行，這與Model 0在90°風(fēng)向條件時(shí)的狀況相似。 為改善系統(tǒng)出口附近的流場(chǎng)同時(shí)提高SR，在Model 1 的基礎(chǔ)上增加防風(fēng)罩得到Model 2。 防風(fēng)罩為圓柱面，軸線與文丘里管軸線同軸， 高度h 為6.1 m， 半徑r 為3.81 m。

圖8 INVELOX 系統(tǒng)的改善措施Fig.8 Improved design of INVELOX system

不同模型出口處的速度矢量如圖9 所示。 其中，Model 0 的風(fēng)向角為90°，Model 1，Model 2 的風(fēng)向角均為0°。 由圖9 可知：Model 0 和Model 1出口處的速度矢量非常相似， 外部的環(huán)境風(fēng)對(duì)出口氣流具有一定的抵制作用；Model 2 中的防風(fēng)罩對(duì)出口的氣流起到了很好的保護(hù)作用， 在防風(fēng)罩的引導(dǎo)下， 系統(tǒng)出口外部的氣流由水平運(yùn)動(dòng)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)， 自文丘里管流出的氣流在防風(fēng)罩的保護(hù)下可以與防風(fēng)罩內(nèi)部的氣流進(jìn)行混合， 而后再流至大氣中。

圖9 INVELOX 系統(tǒng)出口附近速度矢量對(duì)比Fig.9 Comparison of vectors near the INVELOX system outlet

3 種模型文丘里管內(nèi)的平均SR 隨風(fēng)向的變化曲線如圖10 所示。 考慮到Model 1 和Model 2均為對(duì)稱模型， 因此僅須對(duì)0～45°的風(fēng)向進(jìn)行模擬。

圖10 不同風(fēng)向條件下3 種模型的SRFig.10 Comparison of SR of three models under different wind directions

由圖10 可知：Model 1 的平均SR 與Model 0在風(fēng)向角為90°時(shí)的SR 基本相等；雖然Model 1在風(fēng)向角較大時(shí)提高了SR，但可以看出，當(dāng)風(fēng)向角較小時(shí)，Model 1 的SR 小于Model 0；得益于防風(fēng)罩對(duì)系統(tǒng)出口附近氣流的保護(hù)，Model 2 的SR較Model 1 有明顯提升，增幅約為40%。

通過(guò)改變INVELOX 系統(tǒng)的出口方向， 優(yōu)化出口附近的流場(chǎng)， 系統(tǒng)的整體性能得到了很大的提升。 此外，移除彎管可以減小系統(tǒng)整體的阻力，有益于提升SR。 不僅如此，當(dāng)文丘里管豎直布置時(shí)，內(nèi)置風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與重力方向平行，葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中重力將不再施加交變載荷， 從而改善了葉片的疲勞特性。

4 結(jié)論

本文采用CFD 方法， 對(duì)INVELOX 聚風(fēng)裝置的氣動(dòng)特性開展了數(shù)值模擬研究， 并提出了改進(jìn)措施，得到以下結(jié)論。

①INVELOX 聚風(fēng)裝置通過(guò)漏斗和管道將上方捕獲的風(fēng)能傳輸至下方的文丘里管內(nèi)并實(shí)現(xiàn)加速。 然而，由于文丘里管呈水平布置，因此裝置出口會(huì)受到來(lái)流的影響。 當(dāng)來(lái)流風(fēng)向與文丘里管軸線的夾角超過(guò)90°時(shí)，系統(tǒng)的SR 開始惡化。 當(dāng)夾角超過(guò)120°時(shí)，來(lái)流風(fēng)從出口處倒灌入文丘里管內(nèi)，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

②為解決INVELOX 聚風(fēng)裝置可能出現(xiàn)的倒灌現(xiàn)象， 本文取消初始構(gòu)型中的彎管并將文丘里管豎直布置在漏斗下方。 改進(jìn)后的設(shè)計(jì)可以真正意義上捕獲任意方向的風(fēng)能并傳輸至文丘里管內(nèi)用于發(fā)電。

③改進(jìn)后的構(gòu)型由于出口平面與來(lái)流方向平行， 系統(tǒng)的SR 略低于初始構(gòu)型理想工作狀態(tài)下的SR。在出口增加防風(fēng)罩可以明顯改善出口附近的流場(chǎng)，系統(tǒng)的SR 也因此得到了極大的提升，提升幅度約為40%。

④相比于初始構(gòu)型， 加裝防風(fēng)罩的直筒式聚風(fēng)裝置不僅性能提升巨大， 而且完全不受風(fēng)向變化的影響。 同時(shí)，將文丘里管豎直布置后，安裝在其中的風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸與重力方向平行。 在風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片將不再承受交變載荷，從而延長(zhǎng)了使用壽命。