關(guān)玉明，李祥利，苗藝男，韓曉耀

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

1 引言

全球能源危機(jī)和環(huán)境污染，助推了新能源和可再生能源的開發(fā)利用。風(fēng)能作為一種清潔的可再生資源，其儲(chǔ)量巨大，分布廣，具有取之不盡、用之不竭，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為世界各國(guó)新能源發(fā)展的重要方向。中國(guó)是風(fēng)能大國(guó)，風(fēng)資源總量達(dá)20億kW，其中陸上及近海的風(fēng)資源達(dá)15億kW，風(fēng)能開發(fā)利用的潛力巨大，利用風(fēng)力發(fā)電對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染、解決能源危機(jī)等有著非常重要的意義［1］。

微風(fēng)根據(jù)風(fēng)級(jí)定義為2 級(jí)及以下等級(jí)的風(fēng)速，其風(fēng)速為（0.3~3.3）m/s，傳統(tǒng)的風(fēng)電技術(shù)對(duì)于風(fēng)輪切入風(fēng)速，至少需要3m/s才能用于發(fā)電，對(duì)于3m/s以下的微風(fēng)卻無(wú)能為力，造成能源的極大浪費(fèi)［2?3］。且傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率大多在0.4左右，很難以達(dá)到貝茲極限0.593，如何提高風(fēng)能利用率、增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率是風(fēng)能利用的關(guān)鍵所在。風(fēng)能功率和風(fēng)速的3次方成正比關(guān)系，增加風(fēng)輪的風(fēng)速可以有效增加風(fēng)力機(jī)的輸出功率［4?6］。因此，介紹一種基于文丘里效應(yīng)的新型微風(fēng)發(fā)電裝置，在低風(fēng)速地域也可充分發(fā)電，同時(shí)可將輸出功率進(jìn)一步提高，并對(duì)其可行性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析以及風(fēng)洞試驗(yàn)。

2 高效微風(fēng)發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)

2.1 微風(fēng)發(fā)電原理

該高效微風(fēng)發(fā)電裝置，其原理通過“文丘里效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的提高，“文丘里效應(yīng)”通風(fēng)原理示意圖，如圖1所示。氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過中間喉管后從出風(fēng)口流出。根據(jù)不可壓縮流連續(xù)方程：

式中：V1—進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速；V2—喉管部位風(fēng)速；V3—出風(fēng)口風(fēng)速；A1—進(jìn)風(fēng)口橫截面積；A2—喉管部位橫截面積；A3—出風(fēng)口橫截面積；Q—流經(jīng)管道的氣體流量。

風(fēng)通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入管道，在內(nèi)部利用“文丘里效應(yīng)”，文丘里管內(nèi)的氣流是連續(xù)的，由于A1和A3大于A2，所以喉管部位的氣流速度V2大于V1和V3，在喉管部位安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)即可獲得較高的風(fēng)速，如圖1所示。

圖1 “文丘里效應(yīng)”通風(fēng)原理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of th‘eVenturi Effect’Ventilation Principle

風(fēng)進(jìn)入文丘里管內(nèi)，隨著管道橫截面積逐漸縮小，從而使風(fēng)速迅速增加，使風(fēng)在內(nèi)部產(chǎn)生變化，聚集的風(fēng)可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率大大增加，達(dá)到高效微風(fēng)發(fā)電的目的。當(dāng)風(fēng)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)后，到達(dá)出風(fēng)口位置，同樣利用“文丘里效應(yīng)”增加風(fēng)通過的面積，從而降低出風(fēng)的速度，減少了內(nèi)部空氣與外部空氣的相對(duì)阻力，使得出風(fēng)口更容易排風(fēng)。

2.2 萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)通過偏航系統(tǒng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，以便最大限度地吸收風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。對(duì)小型風(fēng)力機(jī)一般由尾舵實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)，對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)則采用電力或液壓驅(qū)動(dòng)的方式讓機(jī)艙通過齒輪傳動(dòng)使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向來(lái)完成對(duì)風(fēng)動(dòng)作［7］。

低速風(fēng)場(chǎng)大多處于復(fù)雜地形區(qū)域，粗糙不平的地表降低了近地風(fēng)速，且在風(fēng)場(chǎng)中形成了大量湍流，因此，若充分利用低速風(fēng)能，就必須考慮風(fēng)力發(fā)電裝置在風(fēng)向多變環(huán)境下的適應(yīng)能力。對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)而言，在微風(fēng)狀態(tài)下，對(duì)風(fēng)動(dòng)作緩慢而困難，其大多適用于風(fēng)向相對(duì)固定的區(qū)域，且大型風(fēng)力機(jī)則需要較高的啟動(dòng)風(fēng)速。因此，對(duì)于適合利用微風(fēng)發(fā)電的地域，微風(fēng)發(fā)電裝置需要設(shè)置萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)，來(lái)充分應(yīng)對(duì)多變的風(fēng)向。

具有萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)的微風(fēng)發(fā)電裝置三維模型，如圖2所示。采用多層聚風(fēng)組件，使得聚風(fēng)面積大大增加，每?jī)蓚€(gè)聚風(fēng)組件之間的連接采用等角度（30°）間隔的豎直隔板，多豎直隔板隔開的聚風(fēng)組件使發(fā)電裝置能夠收集來(lái)自四面八方的微風(fēng)，對(duì)于任意水平方向來(lái)流，都可以進(jìn)入發(fā)電裝置內(nèi)部高效聚集發(fā)電，即萬(wàn)向迎風(fēng)，大大增加了發(fā)電效率。

圖2 萬(wàn)向迎風(fēng)微風(fēng)發(fā)電裝置三維模型Fig.2 Three?Dimensional Model of Universal Windward Breeze Power Generation Device

3 高效微風(fēng)發(fā)電裝置的數(shù)值模擬

3.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

為了確保在仿真計(jì)算中能夠有效進(jìn)行，需要對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去除微風(fēng)發(fā)電裝置中的鋼結(jié)構(gòu)骨架，運(yùn)用SolidWorks建立其簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。模型整體高度2.75m，將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0的Geomety中，并建立簡(jiǎn)化模型的流場(chǎng)區(qū)域，流場(chǎng)區(qū)域包括整個(gè)微風(fēng)發(fā)電裝置的流場(chǎng)，在模型的數(shù)值模擬中，結(jié)合實(shí)際情況，建立的整體流場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)度12m，寬度6m，高度6m，考慮到尾流影響，來(lái)風(fēng)方向流域尺寸設(shè)為4m，背風(fēng)方向流域尺寸設(shè)為8m，將長(zhǎng)方體流場(chǎng)區(qū)域與模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到實(shí)際中的流體計(jì)算域。

圖3 簡(jiǎn)化的微風(fēng)發(fā)電裝置三維模型Fig.3 Simplified Three?Dimensional Model of Breeze Power Generation Device

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性，網(wǎng)格劃分的目的是對(duì)CFD模型實(shí)現(xiàn)離散化，是把求解域分解成可得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元。利用Workbench Meshing的網(wǎng)格劃分算法，對(duì)流體計(jì)算域劃分網(wǎng)格，采用自由網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，微風(fēng)發(fā)電裝置模型復(fù)雜，需要在模型周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密處理［8］。為了獲得較高的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)發(fā)電裝置模型表面進(jìn)行膨脹處理，采用平滑過渡方式，其中過渡比0.272，最大膨脹層數(shù)5，增長(zhǎng)率1.2。由流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格劃分可得，整個(gè)流場(chǎng)計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)為1624900，節(jié)點(diǎn)數(shù)為286093。流場(chǎng)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 流場(chǎng)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of Flow Field Calculation Domain

3.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)微風(fēng)發(fā)電裝置模型為剛體，基于穩(wěn)態(tài)不可壓縮三維定常雷諾時(shí)均N?S方程（RANS）進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用重整化群模型（RNG k ?ε）。

（1）雷諾平均的Navier?Stokes（RANS）方程，即控制方程：

式中：ρ—?dú)怏w密度；ui、uj—速度時(shí)均量；p—壓力；μ—流體粘性系數(shù)；ui′、uj′—脈動(dòng)速度［9］。

（2）RNG k ?ε模型

采用雙方程模型的RNG k ?ε模型，其在處理高應(yīng)變率流動(dòng)時(shí)比標(biāo)準(zhǔn)k ?ε模型適應(yīng)性更強(qiáng)，并且在高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中有更好的效果［10］。對(duì)于不可壓縮流體，RNG k ?ε模型的湍動(dòng)能輸運(yùn)方程和耗散率輸運(yùn)方程為：

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；μt—湍流粘性系數(shù)，αk、αε—湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；C1ε、C2ε、Cμ、αk、αε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.42，C2ε=1.68，Cμ=0.0845，αk=αε=0.7179。

RNG k ?ε模型在ε方程中加了一個(gè)條件，為湍流普朗特?cái)?shù)提供了一個(gè)解析公式，而標(biāo)準(zhǔn)k ?ε 模型是用戶提供的常數(shù)，且RNG理論提供了一個(gè)取決于正確對(duì)待近壁區(qū)域的解析公式，該公式考慮了低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性，這些特點(diǎn)使得RNG k ?ε模型具有更高的精度［11］。

3.3 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件

本次微風(fēng)發(fā)電模型的數(shù)值計(jì)算選擇三維雙精度求解器，以提高求解精度，為提高求解速度，采用并行計(jì)算，在求解器中選擇隱式（implicit）和穩(wěn)態(tài)（steady）求解，且基于壓力的求解器，速度采用絕對(duì)速度（Absolute）。風(fēng)速為3m/s 時(shí)的雷諾系數(shù)Re遠(yuǎn)大于4000，所以流體的流動(dòng)狀態(tài)為高雷諾數(shù)流動(dòng)，湍流模型采用RNG k ?ε模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

采用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域和控制方程進(jìn)行離散化，得到離散方程，用有限體積法導(dǎo)出的方程可以保證守恒特性，其中動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式，對(duì)離散方程進(jìn)行求解采用分離解法，采用默認(rèn)的亞松弛因子，壓力速度耦合算法為SIMPLE 算法，即求解壓力耦合方程組的半隱式方法，其邊界條件如下：

速度入口：流域入口面為速度入口邊界，為驗(yàn)證微風(fēng)及高速風(fēng)對(duì)模型同樣適用，采用不同來(lái)流風(fēng)速對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)流風(fēng)速V0變化為2.5m/s，5.0m/s，7.0m/s，10m/s；

速度出口：流域出口面選擇自由出流，設(shè)置為outflow；

微風(fēng)發(fā)電裝置模型為壁面邊界，絕對(duì)靜止且無(wú)滑移邊界條件；流域其余外壁為對(duì)稱邊界。

監(jiān)視器的設(shè)置，監(jiān)測(cè)殘差值在迭代計(jì)算過程中，當(dāng)各個(gè)物理變量的殘差值都達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算就會(huì)發(fā)生收斂。Fluent默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)所有變量的殘差值都降到低于10?3數(shù)量級(jí)時(shí)，就認(rèn)為計(jì)算收斂。采用標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行初始化求解，計(jì)算起始于入口邊界，迭代次數(shù)設(shè)置為1000，然后開始迭代求解。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 不同風(fēng)速下流場(chǎng)中心面速度場(chǎng)分布

四種不同來(lái)流風(fēng)速時(shí)流場(chǎng)中心面的速度分布云圖，如圖5所示，模型在不同來(lái)流風(fēng)速下的計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

圖5 不同風(fēng)速下流場(chǎng)中心面流速分布Fig.5 Flow Velocity Distribution at the Center of the Flow Field at Different Wind Speeds

由圖5與表1可以得出，由于存在阻力作用，微風(fēng)發(fā)電模型入口處風(fēng)速較來(lái)流風(fēng)速有所降低，但由喉管處風(fēng)速可知，該模型確實(shí)具有提高流速的效果，相比來(lái)流風(fēng)速，速度增益為1.38?1.42，且隨來(lái)流風(fēng)速的增大而增大但幅度不大。由喉管處的速度分布可知，喉管中間部位的流速較高，由于管道對(duì)氣流的粘滯性，喉管近壁面區(qū)域流速明顯降低。因此，在喉管內(nèi)安裝風(fēng)力機(jī)葉片應(yīng)避開低流速區(qū)域。

表1 不同來(lái)流風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results of Different Incoming Wind Speeds

3.4.2 不同風(fēng)速下流場(chǎng)中心面壓力場(chǎng)分布

四種不同來(lái)流風(fēng)速時(shí)流場(chǎng)中心面的壓力分布云圖，如圖6所示。由圖6可以看出，模型迎風(fēng)方向?yàn)檎龎毫?，背風(fēng)方向?yàn)樨?fù)壓力，且都隨來(lái)流風(fēng)速的增大而增大，由于來(lái)流方向的氣流受到模型的阻力作用，將風(fēng)壓由動(dòng)壓轉(zhuǎn)為靜壓，壓力達(dá)到最大值，模型內(nèi)部的靜壓與模型外部靜壓相比要小，且喉管處出現(xiàn)負(fù)壓值，由此產(chǎn)生抽吸作用使得模型內(nèi)部的流量及風(fēng)速增大，達(dá)到發(fā)電功率增加的目的。

圖6 不同風(fēng)速下流場(chǎng)中心面壓力分布Fig.6 Pressure Distribution at the Center of the Flow Field at Different Wind Speeds

4 高效微風(fēng)發(fā)電裝置的風(fēng)洞試驗(yàn)

4.1 風(fēng)洞與測(cè)試設(shè)備

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的有效性，對(duì)所研究的微風(fēng)發(fā)電裝置進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。本次風(fēng)洞試驗(yàn)是在河北鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心的串聯(lián)雙試驗(yàn)段回流邊界層風(fēng)洞，其低速試驗(yàn)段寬4.4m，高3.0m，長(zhǎng)24.0m，最大風(fēng)速大于30.0m/s，高速試驗(yàn)段寬2.2m，高2m，長(zhǎng)5.0m，最大風(fēng)速大于80.0m/s。低速驗(yàn)段流場(chǎng)達(dá)到優(yōu)秀邊界層風(fēng)洞流場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，高速試驗(yàn)段流場(chǎng)達(dá)到優(yōu)秀工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)。低速試驗(yàn)段內(nèi)配備有三維移測(cè)架系統(tǒng)，可在24m試驗(yàn)段內(nèi)通長(zhǎng)和橫向、縱向移動(dòng)，在連續(xù)吹風(fēng)狀態(tài)下完成風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。本次試驗(yàn)在低速試驗(yàn)段進(jìn)行，其速度不穩(wěn)定性小于等于0.6%，速度場(chǎng)不均勻性小于等于0.4%，湍流強(qiáng)度小于等于0.4%。

測(cè)試設(shè)備：風(fēng)速測(cè)量采用澳大利亞TFI 公司生產(chǎn)的壓力探頭，測(cè)量不同工況下的風(fēng)速。壓力測(cè)量采用美國(guó)PSI公司生產(chǎn)的壓力掃描閥和數(shù)據(jù)處理軟件組成風(fēng)壓測(cè)量、記錄和處理系統(tǒng)［12］。

4.2 試驗(yàn)方法

風(fēng)洞試驗(yàn)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖7所示。風(fēng)洞控制系統(tǒng)，如圖8所示。將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ㄓ诘退俣蔚霓D(zhuǎn)盤上，在模型前方設(shè)置皮托管風(fēng)速儀，用來(lái)監(jiān)測(cè)來(lái)流風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速，本次試驗(yàn)設(shè)定來(lái)流風(fēng)速為（2.5~10）m/s。

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.7 Wind Tunnel Test and Test Model

圖8 風(fēng)洞控制系統(tǒng)Fig.8 Wind Tunnel Control System

在模型入口中間位置、喉管位置設(shè)置測(cè)速壓力探頭以及測(cè)壓孔，來(lái)測(cè)量速度變化和壓力變化，測(cè)試設(shè)備安裝完成后，利用控制系統(tǒng)開始風(fēng)洞試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算獲得的喉管速度增益K和模型進(jìn)出口壓差P與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，繪制出的來(lái)流風(fēng)速V0與喉管速度增益K、模型進(jìn)出口壓差P的關(guān)系曲線，如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比數(shù)值模擬計(jì)算值略大，且誤差保持在10%以內(nèi)，其原因是數(shù)值模擬對(duì)模型的簡(jiǎn)化使其存在一定誤差。數(shù)值模擬計(jì)算的喉管速度增益K和模型進(jìn)出口壓差P與試驗(yàn)值均隨著來(lái)流風(fēng)速V0的增加呈上升趨勢(shì)，其中試驗(yàn)測(cè)試的喉管速度增益K約1.4，與數(shù)值模擬計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，進(jìn)一步驗(yàn)證了該微風(fēng)發(fā)電裝置能夠有效提高來(lái)流風(fēng)速，提高發(fā)電功率。

圖9 V0?K關(guān)系曲線Fig.9 V0?K Relationship Curve

圖10 V0?P關(guān)系曲線Fig.10 V0?P Relationship Curve

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種高效微風(fēng)發(fā)電裝置，其發(fā)電原理依據(jù)“文丘里效應(yīng)”提高了來(lái)流風(fēng)速，萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的對(duì)風(fēng)時(shí)間，增加了多變風(fēng)向環(huán)境下的適應(yīng)性，提高工作效率。

（2）通過Fluent仿真分析可知，相對(duì)于來(lái)流風(fēng)速，喉管處速度增益在（1.38~1.42），且隨來(lái)流風(fēng)速增大而增大，提速效果較好，在低風(fēng)速地域也可以充分利用風(fēng)能，對(duì)于3m/s以下的微風(fēng)可有效提高到工作風(fēng)速，大大增加了發(fā)電功率。

（3）對(duì)微風(fēng)發(fā)電裝置進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果表明，微風(fēng)發(fā)電裝置數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得速度和壓力數(shù)據(jù)基本一致，速度增益均達(dá)到1.4左右，說明設(shè)計(jì)的高效微風(fēng)發(fā)電裝置在提速、提效方面具有準(zhǔn)確性和可靠性。