向 斌 繆維跑,2 李 春,2 倪露露

1. 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200093

2. 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200093

0 引言

風(fēng)能因清潔、無污染和儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)成為世界上增長速度最快的可再生能源，且技術(shù)上已具備大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的條件，使其在世界各國能源戰(zhàn)略中凸顯重要地位，未來將成為能源經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一[1-3]。較之于水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)因其無需對(duì)風(fēng)偏航、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和維護(hù)成本低及噪聲污染小等優(yōu)點(diǎn)備受重視[4-5]，但其運(yùn)行過程中流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性較水平軸風(fēng)力機(jī)復(fù)雜，導(dǎo)致風(fēng)能利用率較低[6-7],因此，采用有效的裝置提高垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率尤為關(guān)鍵。

格尼襟翼是一種安裝在翼型尾緣以改善空氣動(dòng)力學(xué)性能的增升裝置。20世紀(jì)70年代，美國學(xué)者Dan Gurney首次將其應(yīng)用于F1賽車上[8]。1978年，LIEBECK等[9]將格尼襟翼加裝在翼型尾緣，研究發(fā)現(xiàn)格尼襟翼具有明顯的增升減阻效果。JANG等[10]在翼型NACA4412尾緣安裝格尼襟翼，結(jié)果表明格尼襟翼可增大翼型升力系數(shù)和俯仰力矩，并能在中等攻角條件下延緩翼型流動(dòng)分離點(diǎn)。GRAHAM等[11]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一定攻角范圍內(nèi)，格尼襟翼增升效果隨格尼襟翼高度增大而增大，隨厚度增大而減弱。SHUKLA等[12]在距原始翼型尾緣10%的位置加裝格尼襟翼并布置凹槽，發(fā)現(xiàn)當(dāng)攻角小于12°時(shí)，較無凹槽格尼襟翼，有凹槽格尼襟翼翼型的氣動(dòng)性能更好。BIANCHINI等[13]研究了格尼襟翼安裝位置和高度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的影響，結(jié)果表明格尼襟翼能有效延遲翼型失速，且在垂直軸風(fēng)力機(jī)內(nèi)側(cè)安裝高度為0.02c(c為翼型弦長)的格尼襟翼時(shí)，可增大轉(zhuǎn)矩，增大整機(jī)功率系數(shù)。ZHU等[14]分析凹槽和格尼襟翼在垂直軸風(fēng)力機(jī)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)固定在葉片尾緣外側(cè)的格尼襟翼使風(fēng)能利用系數(shù)增大10.92%，減小氣動(dòng)載荷的波動(dòng)，外側(cè)格尼襟翼加凹槽可使風(fēng)能利用系數(shù)增大17.92%。ZHANG等[15]采用數(shù)值模擬方法研究了格尼襟翼對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明，格尼襟翼可增加葉片局部推力和扭矩值，推力隨著格尼襟翼高度的增大而增大；當(dāng)尖速比為6.35時(shí)，格尼襟翼可使風(fēng)力機(jī)功率提高21%，且使分離位置向后緣移動(dòng)。綜上可知，格尼襟翼具有顯著增升效果，應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)時(shí)可提高翼型氣動(dòng)性能。

格尼襟翼的作用機(jī)理是在翼型壓力面形成局部高壓區(qū)，從而提高翼型升力[16]，因此，為達(dá)到最佳控制效果，格尼襟翼需安裝于風(fēng)力機(jī)葉片翼型的壓力面。然而，垂直軸風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過程中葉片實(shí)際攻角出現(xiàn)正負(fù)周期性變化，使壓力面和吸力面存在相互交替現(xiàn)象，導(dǎo)致固定于翼型尾緣的傳統(tǒng)格尼襟翼在部分區(qū)域未取得增升效果。本文設(shè)計(jì)了一種可在葉片壓力面和吸力面兩側(cè)往復(fù)伸縮以實(shí)現(xiàn)最佳流動(dòng)控制效果的新型動(dòng)態(tài)格尼襟翼。通過計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用滑移網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格相結(jié)合的技術(shù)解決葉片旋轉(zhuǎn)和格尼襟翼伸縮的復(fù)合運(yùn)動(dòng)問題，研究不同控制方式對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)的影響，并對(duì)格尼襟翼伸出高度改善氣動(dòng)的效果開展定量研究。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格

1.1 格尼襟翼改進(jìn)模型

文獻(xiàn)[17]表明，無扭轉(zhuǎn)和變截面的H型直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片展弦比h/c>10(h為葉片高度)時(shí)，二維模型與三維模型在力矩系數(shù)和風(fēng)能利用系數(shù)上的誤差小于6%，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，故本文采用二維模型進(jìn)行數(shù)值分析以提高計(jì)算效率。以NACA0021作為原始翼型，弦長c為85.8 mm，最大厚度為0.21c。以原始翼型為基礎(chǔ)，參考文獻(xiàn)[18]的布置方式，在距翼型前緣0.9c處布置動(dòng)態(tài)格尼襟翼，幾何參數(shù)如圖1所示。為便于實(shí)現(xiàn)格尼襟翼的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與翼型之間設(shè)置寬度為0.001 75c的縫隙，襟翼寬度為0.003 5c。

圖1 具有動(dòng)態(tài)格尼襟翼的翼型結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)格尼襟翼垂直軸風(fēng)力機(jī)模型如圖2所示，來流風(fēng)速沿x軸正向，θ為風(fēng)輪相位角，ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度。本文選用的直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)參照文獻(xiàn)[19]，基本參數(shù)見表1。

圖2 動(dòng)態(tài)格尼襟翼垂直軸風(fēng)力機(jī)模型

表1 垂直軸風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)

1.2 動(dòng)態(tài)格尼襟翼控制方式

垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，吸力面與壓力面隨相位角增大交替變化(圖2)。為對(duì)比動(dòng)態(tài)格尼襟翼控制效果，針對(duì)圖2中的幾何模型，采用4種不同方式控制格尼襟翼的運(yùn)動(dòng)。圖3所示為一個(gè)周期內(nèi)格尼襟翼伸出高度隨相位角變化的曲線。

(a) 控制方式1

圖3中，高度值L為負(fù)時(shí)表示襟翼向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)方向伸出?？刂品绞?的格尼襟翼伸出高度以正弦曲線的形式變化(圖3a)，控制方式2與控制方式1變化形式相反(圖3b)，控制方式3表示格尼襟翼在葉片處于迎風(fēng)區(qū)向外側(cè)伸出(圖3c)，控制方式4與控制方式3變化形式相反(圖3d)。4種格尼襟翼運(yùn)動(dòng)形式的速度函數(shù)如下：

控制方式1

v=4T-1Lmaxcos(ωt)

(1)

控制方式2

v=-4T-1Lmaxcos(ωt)

(2)

控制方式3

(3)

控制方式4

(4)

式中，v為格尼襟翼運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Lmax為格尼襟翼伸出最大高度，m；t為時(shí)間，s；T為葉片旋轉(zhuǎn)周期，s。

1.3 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

垂直軸風(fēng)力機(jī)計(jì)算域及邊界條件如圖4所示，計(jì)算域劃分為5個(gè)子區(qū)域，S1為外流域，S2為網(wǎng)格加密區(qū)，S3為主旋轉(zhuǎn)域，S4為葉片控制域，S5為內(nèi)流域，不同域之間均設(shè)置為Interface邊界(虛線表示)。其中，計(jì)算域O為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心，D為風(fēng)輪直徑，ab為速度進(jìn)口，距轉(zhuǎn)軸中心為15D，ad、bc分別距旋轉(zhuǎn)中心15D且為對(duì)稱邊界，壓力出口cd距轉(zhuǎn)軸中心35D，葉片和轉(zhuǎn)軸表面為無滑移壁面。流體介質(zhì)為空氣，密度為1.184 kg/m3，動(dòng)力黏度為1.855×10-5kg/(m·s)，來流速度v∞為9 m/s。

圖4 計(jì)算域劃分及邊界條件

較之四面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格具有更好的收斂性和較小的網(wǎng)格依賴性，硬件資源要求更低，計(jì)算時(shí)間更短，可大幅提高計(jì)算性能[20]，因此，本文采用STAR-CCM+多面體網(wǎng)格生成器生成二維多邊形網(wǎng)格，在翼型壁面采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格邊界層，可保證較好地捕捉近壁面剪切層和分離流。

在整個(gè)流場(chǎng)的計(jì)算中，風(fēng)輪主旋轉(zhuǎn)域與外流域之間采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，保證交界面處的信息傳遞[21]。重疊網(wǎng)格技術(shù)保證原始網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，在處理單體復(fù)合運(yùn)動(dòng)方面具有較大優(yōu)勢(shì)[22]，因此，本文采用重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)格尼襟翼的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制。外流域、風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)域及動(dòng)態(tài)格尼襟翼局部網(wǎng)格分布如圖5所示。翼型和格尼襟翼表面第一層網(wǎng)格高度約2×10-5m，以保證y+(y+為量綱一壁面距離)值小于1，使湍流模型可捕捉邊界層黏性底層的流動(dòng)。

圖5 計(jì)算域網(wǎng)格分布

1.4 計(jì)算方法及湍流模型

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬，基于有限體積法對(duì)Navier-Stokes(N-S)流動(dòng)控制方程進(jìn)行離散，采用雙時(shí)間步法對(duì)雷諾時(shí)均非定常不可壓縮的N-S方程進(jìn)行求解。壓力速度耦合基于SIMPLE算法，控制方程的各項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間離散采用二階隱式格式。

根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]對(duì)比不同湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響的研究，在保證計(jì)算精度與時(shí)間成本上，SSTk-ω湍流模型具有較高的靈活性和穩(wěn)定性，因此，本文選擇SSTk-ω湍流模型進(jìn)行求解。每個(gè)時(shí)間步長風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)0.5°，選取第10周穩(wěn)定結(jié)果進(jìn)行分析。

2 有效性驗(yàn)證

尖速比λ用于反映風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況，即葉片線速度與來流風(fēng)速的比值：

λ=Rω/v∞

(5)

風(fēng)能利用系數(shù)Cp與力矩系數(shù)Cm是判斷風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的重要參數(shù)，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；P為風(fēng)力機(jī)輸出功率，W；A為掃風(fēng)面積，m2；M為平均轉(zhuǎn)矩，N·m。

網(wǎng)格數(shù)量不僅影響計(jì)算精度，還會(huì)影響計(jì)算效率，故需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。對(duì)λ=2.5、來流風(fēng)速v∞=9 m/s的原始垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。由圖6可知，網(wǎng)格數(shù)量為20.7萬時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)整機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為2.03 N·m，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到59萬時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定，維持在3.3 N·m附近。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到97萬時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩幾乎保持不變，因此，選取總網(wǎng)格數(shù)59萬可滿足計(jì)算精度要求。

圖6 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型可靠性，對(duì)原始垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同尖速比情況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并與文獻(xiàn)[17]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值總體上吻合較好，低尖速比下與實(shí)驗(yàn)值保持一致；高尖速比下存在一定差異，主要原因在于二維計(jì)算忽略葉尖損失和塔架及支撐桿的影響，但數(shù)值計(jì)算能捕捉到風(fēng)力機(jī)的最佳尖速比，并且曲線變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值較好吻合，說明采用的網(wǎng)格劃分及計(jì)算模型能夠準(zhǔn)確地模擬垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。

圖7 風(fēng)能利用系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié)果分析

3.1 氣動(dòng)特性分析

采用不同方式控制格尼襟翼運(yùn)動(dòng)，所計(jì)算的垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比變化如圖8所示，其中格尼襟翼向兩側(cè)伸出的最大高度為0.02c。

圖8 不同控制方式下風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比的變化

由圖8可見，4種不同控制方式均可提高垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)。采用不同控制方式后，垂直軸風(fēng)力機(jī)最佳尖速比從2.6降為2.5，最佳尖速比降低可使葉片在更低的轉(zhuǎn)速下獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)，提高風(fēng)力機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，較之其他控制方式，控制方式1的效果相對(duì)最好，且風(fēng)能利用系數(shù)整體較高。當(dāng)λ=2.5時(shí)，格尼襟翼采用控制方式1使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值0.484，較原始風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)增大了27.9%，而控制方式2、3、4的最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.455、0.473、0.453，分別增大了20.1%、25.1%、19.7%。當(dāng)λ>2.5時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)隨著尖速比增加，格尼襟翼的控制效果減弱。

為說明動(dòng)態(tài)格尼襟翼對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片受力的影響，分別取1.7、2.5及3.3三種不同尖速比下單葉片切向力隨相位角的變化，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，尖速比為1.7時(shí)，采用不同控制方式均能增大單葉片的最大切向力，有效提高了垂直軸風(fēng)力機(jī)低風(fēng)速下的啟動(dòng)力矩。當(dāng)尖速比達(dá)到2.5時(shí)，采用不同控制方式，葉片所受切向力有明顯差異；葉片位于迎風(fēng)區(qū)60°～180°，具有動(dòng)態(tài)格尼襟翼葉片的最大切向力均大于原始葉片的最大切向力，且格尼襟翼向外側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片受到的最大切向力大于其他運(yùn)動(dòng)方式的最大切向力；葉片位于背風(fēng)區(qū)240°～360°，向內(nèi)側(cè)伸出動(dòng)態(tài)格尼襟翼葉片受到的平均切向力較大。當(dāng)尖速比為3.3時(shí)，僅在迎風(fēng)區(qū)格尼襟翼向外伸出，背風(fēng)區(qū)向內(nèi)伸出時(shí)，較原始葉片切向力有所提高。

(a) λ=1.7

3.2 流場(chǎng)特性

圖10所示為不同相位角下翼型尾緣附近流場(chǎng)狀態(tài)，選取最佳控制方式1和最佳尖速比為2.5的情況，分析格尼襟翼對(duì)葉片尾緣流場(chǎng)特性的影響。圖10中給出了相位角為0°、60°、120°、180°、240°和300°時(shí)葉片尾緣相對(duì)速度及壓力分布。

圖10 葉片尾緣相對(duì)速度與壓力分布

由圖10可知，葉片位于0°時(shí)，葉片保持原始形狀，兩者葉片表面壓力分布相同。葉片位于60°時(shí)，葉片表面壓力分布出現(xiàn)明顯不同，受格尼襟翼的作用，壓力面?zhèn)葔毫Ψ植即笥谠既~片，增大了葉片兩側(cè)壓差，為葉片提供更大的切向力。當(dāng)葉片從60°轉(zhuǎn)到120°時(shí)，原始葉片尾緣吸力面出現(xiàn)較大分離渦，并開始從尾緣開始脫落，而具有格尼襟翼控制的葉片，其尾緣附近僅有較小分離渦，未發(fā)生明顯的脫落現(xiàn)象。對(duì)比葉片在180°相位角可知，原始葉片尾跡中有較低負(fù)壓區(qū)，該區(qū)域由脫落的分離渦產(chǎn)生，而格尼襟翼葉片尾緣產(chǎn)生相對(duì)較小的分離渦。當(dāng)葉片位于背風(fēng)區(qū)240°和300°時(shí)，格尼襟翼抑制分離渦在吸力面產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)提高了壓力面?zhèn)葔毫?。?dāng)葉片轉(zhuǎn)到360°時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一個(gè)周期循環(huán)，與切向力周期性變化結(jié)果一致。

3.3 格尼襟翼高度的影響

翼型尾緣布置動(dòng)態(tài)格尼襟翼能有效抑制動(dòng)態(tài)失速，提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。為探究格尼襟翼伸出最大高度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，在Lmax分別為0.01c、0.02c、0.03c及0.04c時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，其風(fēng)能利用系數(shù)隨尖速比變化情況見圖11。

圖11 不同尖速比下風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)隨格尼襟翼高度的變化

由圖11可知，尖速比在2.5左右時(shí)，不同高度的格尼襟翼均能保持較高的風(fēng)能利用系數(shù)。當(dāng)λ<2.5時(shí)，格尼襟翼高度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性影響較小。λ為2.0時(shí)，4種高度下的風(fēng)能利用系數(shù)均保持在0.24左右，說明在低尖速比情況下，格尼襟翼高度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能影響較小。當(dāng)λ>2.5時(shí)，格尼襟翼高度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響開始顯著。λ=3.3，格尼襟翼Lmax為0.01c時(shí)，Cp約0.41，而高度增大至0.04c時(shí)，Cp降至0.27，風(fēng)能利用系數(shù)減小了34%。因此，在高尖速比情況下，格尼襟翼高度過大會(huì)使控制效果急劇減弱。

為直觀地說明尖速比為3.3時(shí)格尼襟翼高度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，圖12給出了不同高度和不同相位角下的整機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

圖12 不同高度格尼襟翼在不同相位角下整機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)

由圖12可見，格尼襟翼高度L為0.01c和0.02c時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)在0.23左右，且所有轉(zhuǎn)矩系數(shù)均大于零。當(dāng)格尼襟翼大于0.02c后，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，最大值均減小。高度L為0.03c時(shí)，最大值減小了10%；高度L為0.04c時(shí)，最大值減小了15%，且最小值均出現(xiàn)負(fù)值。由此可知，格尼襟翼伸出高度過大，不僅嚴(yán)重降低了風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能，還增大了氣動(dòng)載荷波動(dòng)和疲勞載荷。

4 結(jié)論

(1)在距垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片前緣0.9c處布置動(dòng)態(tài)格尼襟翼，能有效提高風(fēng)能利用系數(shù)；在不同控制方式中，當(dāng)葉片位于迎風(fēng)區(qū)、格尼襟翼向外伸出，位于背風(fēng)區(qū)、向內(nèi)側(cè)伸出時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)最大。

(2)動(dòng)態(tài)格尼襟翼可降低最佳尖速比，使風(fēng)力機(jī)在相同風(fēng)速下降低轉(zhuǎn)速，從而減小葉片離心力，提高風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。

(3)低尖速比下，采用格尼襟翼能有效抑制葉片尾緣流動(dòng)分離，增大葉片切向力，提高風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下的啟動(dòng)力矩。

(4)當(dāng)葉片尾緣格尼襟翼伸出高度大于0.02c時(shí)，隨尖速比增大，風(fēng)能利用系數(shù)逐漸減?。涣叵禂?shù)隨高度增大而減小，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，使葉片疲勞載荷增大。