新型链传动式风力机气动性能的数值模拟

2010-08-31齐晓慧宋力田瑞李军利张庆祝

电力与能源 2010年3期

齐晓慧,宋力,田瑞,李军利,张庆祝

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051)

链传动式风能转换装置是一种新型风力机,具有结构简单、便于安装维修、工艺简单、成本低、启动风速低、功率输出平稳、风能利用系率高等特点。本文用Fluent软件对风力机整机在8 m/s以下的不同风速工况进行气动性能的数值模拟计算,仿真叶片气动流场流态,观察其叶片表面压强分布、流速分布、湍流强度、流速矢量等流态图,并计算新型链传动式风力机风能利用系数,与实验值进行比较,验证风力机气动性能数值模拟的可靠性。

1 链传动式风能转换装置

1.1 装置结构

链传动式风能转换装置的叶片采用铁片和其他材料制作,叶片一端固定在叶片转轴上,转轴通过小轴和轴承与链条连接,叶片另一端与叶片束缚部件连接,2对同型号的齿轮分别安装在2根水平转轴上,2个链条各自安装在垂直于转轴方向的一对链轮上,下部齿轮的能量输出轴联接转矩转速传感器和发电机(图1)[1-2]。

1.2 工作原理

风以一定速度的吹过本装置时,柔性叶片会自动弯曲(图2)此时第一层叶片会受到风压向上的作用力,风经过第一层叶片,改变方向,继续作用第二层叶片,使其仍然弯曲产生向下的作用力,这样,两层叶片所受到的作用力方向相反,叶片再通过小轴把力传给链条,使环状链条向一致的方向运动,带动链轮转动 ,并且在能量输出轴上输出驱动力矩,发电机在此力矩的驱动下旋转发电[3]。

图1 新型风力发电装置结构示意图

图2 弯曲叶片受力示意图

2 数值模拟计算方法

标准k-ε模型的输运方程为:

式中:ε为湍动耗散率;μi为湍动粘度;Gk为有余平均速度梯度引起的湍动能κ产生项为由于浮力引起的湍动能κ产生项,为可压湍流中脉动扩张的贡献;C1ε,C2ε和C3ε为经验常数 ;σk和 σε分别为湍动能κ和耗散率ε对应的 Prandtl数,Sk和Sε为用户定义的源项。[4]

标准 k-ε模型由 Launder和Spalding提出,模型假定湍流为各向同性的均匀湍流,本身具有的稳定性、经济性和比较高的计算精度。

3 建模、网格划分和边界条件设定

3.1 几何建模

本课题风力发电机的基本参数为:额定风速为8 m/s,风速范围2～ 12 m/s,启动风速2.56 m/s,切出风速12.0 m/s。叶片长 l取0.5 m,叶片宽h取0.145 m,叶片厚0.002 m。

整机几何建模包括:叶片建模,导流罩建模,第一层叶片流体建模,第二层叶片流体建模,导流罩流体建模,以及整机风场建模,见图3。

图3 风力机风场几何建模

其中叶片原型为铁质直叶片,在8 m/s以下的风速范围内,叶片变形轻微建模时可以简化为理想的平板叶片模型;导流罩长 0.60 m,宽0.65 m,高1.8 m;风场长6 m,宽2 m,高3 m。为了减少网格节约计算时间,令计算关心的内域网格数较密集,外域网格较稀疏,整个计算域网格数为447 324,其中网格质量(Equi Angle Skew)在0.2～0.6之间的占96.65%,说明生成的网格质量符合要求,可以进行计算。

3.2 边界条件设定

本次三维模型的气动数值模拟计算,采用分离式求解器(Segregated),三维稳态流动(3D,Steady),绝对速度(Absolute),隐式求解(Implicit),标准K-ε模型。流体材料设为空气,密度 ρ取1.2 kg/m3;动量采用二阶迎风离散格式(Second Order Up-wind);压力和速度耦合采用 SIMPLE算法。速度进口取8.00 m/s;同时计算变工况下风力机气动数值模拟,风速变化为3.36,3.72,3.86,4.13,5.46,5.95,7.08,8.00 m/s;出口压力为0 Pa。

MRF模型(Multiple Reference Frame Model)称为复合坐标系模型,是Fluent软件提供的一种解决静止和运动区域并存问题的方法,它允许将整个计算域分成多个小的子域,每个子域可以有自己的运动方式,或静止,或旋转,或平移;本文的第一层叶片移动流体采用MRF模型,2.826 m/s;第二层叶片移动流体也采用MRF模型,-2.826 m/s。叶片壁面为移动壁面 ,相对移动速度0。对近壁面区采用壁面函数法。在粘性流动中壁面处默认为非滑移边界条件。