一种垂直轴螺旋形风力叶轮附近的三维湍流特征

杨敏官,王蔚峰,康 灿

(江苏大学能源与动力工程学院,镇江 212013)

传统的垂直轴风力叶轮有升力型(Darrieus)和阻力型(Savonius)两种类型:Darrieus风力叶轮的结构简单、升力系数高,但启动性能较差,尤其在低风速下很难启动;Savonius风力叶轮的启动性能好,但风能利用系数较低[1]。为了提高垂直轴风力机的效率,康灿等人采用螺旋形叶片替代传统Savonius风力叶轮的结构,提高了垂直轴风力叶轮的风能转化效率与运行稳定性[2-3];Irabu利用导流箱提高进入Savonius风力叶轮气流的风速[4];M enet采用两级布置方式来提高风力叶轮的风能转换效率[5]。本文将提出一种新型的螺旋形升阻式风力叶轮,这种叶轮的设计从改变叶轮启动性能和运行稳定性的角度出发,根据H型垂直轴风力叶轮的特点,选取FIN翼型作为组成叶片的基本翼型形状,并将叶片设计为扭曲状。数值模拟是目前分析风力叶轮气动性能的有效手段之一。郑云,吴鸿斌等人针对小型H型垂直轴风力叶轮模型,模拟分析了弦长对风力叶轮气动性能的影响[6];金雪红等人采用SST k-ω湍流模型对H型垂直轴风力机风轮周围的流动进行了二维数值模拟,在不同风速条件下对比分析了风力叶轮附近的关键流动参数分布[7]。虽然这些数值模拟在边界条件、近壁面区域流动处理、模拟精度等方面尚存在着不足,但在流场的定性预测与流动形态的描述方面具有独特的优点。本文将运用CFD技术对叶轮附近的流场进行三维非定常数值模拟,通过对提出的螺旋形升阻式风力叶轮进行的模拟,探讨沿叶轮高度方向的流动特征和叶片扭曲角度对叶轮的气动性能的影响。

1 叶轮几何模型

螺旋形垂直轴风力叶轮的设计,建立在Darrieus垂直轴风力叶轮的结构特点和运行特性的基础上。该叶轮中包含三个均匀布置在叶轮轴心线周围的叶片,叶片的周向间隔呈120°,可以减轻扭矩波动对风力机运行的影响达到良好的平衡性。叶片的基本截面采用FIN翼型(图1),即叶片由基本截面沿以旋转轴为中心的螺旋线均匀扫掠得到,为了分析不同叶片扭角下的力矩系数,模拟中叶片的螺旋角分别取30°,60°,90°和120°。为了分析流场,沿叶片高度取三个截面(S1,S2, S3),截面距离叶轮底部截面的垂直距离h与叶轮高度H的比例分别为0.75,0.50,0.25(见图2)。

图1 FIN翼型

图2 叶片模型

由于叶轮转子并不对称,从迎风方向来看气流作用在叶轮的作用力有差别,对叶轮的作用效果等同于产生了一个绕中心轴的扭矩。

2 数值模拟

螺旋形垂直轴风力叶轮的采用商用软件Fluent作为数值模拟的平台,应用三维雷诺平均的Navier-Stokes方程(RANS)和不同湍流模型进行数值模拟和结果对比。模拟采用SST k-ω湍流模型,该模型以基本k-ω湍流模型为基础,并结合了k-ε湍流模型的优点,能够模拟包含较大尺度分离的流动,模型的稳定性和收敛性大大提高,并且对自由来流的湍流度不敏感。

基本模型方程:

式中:Gk为湍流的动能;Gω为ω方程;Γk和Γω分别为k与ω的有效扩散项;Yk和Yω分别为k与ω的发散项;Dω为正交发散项。

有效扩散项方程:

式中:σk,σω,分别为k与ω的湍流普朗特数。

边界条件将来流速度设为8m/s;定义进口边界为均匀速度入口,出口边界为自由出流;采用滑动网格技术,转动的风力叶轮与其周围流场的交接面设置为Interface。速度项和压力项的耦合采用SIMPLE算法,动量方程的离散采用二阶迎风离散格式,非定常的模拟计算中使用二次时间步长迭代方程。

3 计算结果分析

利用数值模拟可以得到叶轮附近的三维流场,根据模拟得到的三维流场可以分析叶轮附近的流速分布、压力系数分布以及不同叶片扭角下的力矩系数,从中发现随着叶轮高度的变化,叶轮内的气流扩散区大不相同,压力系数分布也逐渐减小,叶轮最佳的叶片扭角为90°。

3.1 叶轮附近的三维流场

1)流速分布 对于叶片扭曲角度为60°的风力叶轮的来说,当风力叶轮达到最大力矩系数时,在同一风速和叶轮转速条件下,三个不同截面上速度分布的模拟结果见图3。从图中可以看出,叶轮的内部区域的流动较为复杂,具有典型的非定常性和非线性,并且各个叶片间存在强烈的干扰;气流发生对流,有动量的转换和能量的传递。从上至下比较叶轮三个不同断面下的流场,可以看到随着扭转角度的变化,左端的叶片翼型下端的最小速度区域将逐渐减小,尾缘的速度也将逐渐变小。通过叶轮三个不同断面下的流场比较,还可以看到右端叶片翼型S1断面,叶片头缘及下方有一大小与翼型弦长相当的速度场,速度场随着扭转角度的变化逐渐减小,到最下面的断面S3时已经完全消失;最下端叶片翼型前缘的速度区域将随扭转角度的改变逐渐增大,气流速度明显升高,尾缘的最小速度区域向后扩散,速度逐渐增大,在S3断面获得较高值;即这些变化也与叶片的扭曲有关。图4还表明,随着气流远离叶片内部流速度逐渐相接近。引起这种现象的主要原因是各个气流之间的风速梯度引起附加的切变湍流,这些湍流有助于气流的动量转换,导致气流混合扩散,叶轮内部气流的速度差异逐渐得到消除。

图3 三个截面的流场速度等值线图

2)压力系数分布 当风力叶轮具有最大力矩系数时,三个截面压力分布的模拟结果见图4,图中取叶轮弦长是为 360 mm。从图中可以看出:这些断面翼型压力面上的压力系数分布特点基本相同,例如在前缘附近达到最大值,从前缘至后缘压力逐渐降低;吸力面在距前缘弦长15%处达到最小值,随后逐渐升高。由于翼型上下面的压力差构成了翼型的升力,而前缘和后缘的压差值则形成了翼型压差旋转力,叶片在这些力的共同作用下就会发生旋转。由于这种翼型的前缘曲率较大,对气流具有较强的加速性能,因此流体加速后表面压力系数下降。又因为翼型的后缘相当于曲率收缩段,具有扩压减速性能,因此吸力面后缘处的压力系数明显的上升。对不同断面的压力系数进行对比,可以看到S3断面吸力面的系数最小,压力面和吸力面的压差较大,具有很好的升力效果;S2断面次之;S1断面最差。这也表明叶轮在垂直方向叶轮底部产生的压差较大,升力作用较大,而上半部分压差较小,升力作用不如底部。

3.2 不同叶片扭角下的力矩系数

图5为风力叶轮旋转一周,叶片翼型在各个角度的受力分布。由于各个位置处的合成速度和入流角的不同,空气动力的合力F也不一样,因此风力叶轮在所有位置上都会产生一个使叶轮旋转的转矩,又因为在一周的旋转中叶片入流角是不断变化的,所以叶片引起的转矩是波动的。图中叶片翼型在B,C和D三点将产生驱动风力叶轮旋转的正力矩,而在A点翼型将产生负力矩对叶轮的旋转有阻碍作用。将叶片设计呈扭曲形状,同一叶片上不同翼型断面受力不尽相同,可以有效地改变翼型上产生的负力矩,并在转动过程中阻力会逐渐转化为驱动风力叶轮旋转的动力。

图4 不同断面翼型的压力系数分布

图5 翼型不同角度下的受力分布

叶片扭角分别为30°,60°,90°和120°的四个叶轮,在一个叶轮旋转周期内的力矩系数分布见图6。从图中可以看出,力矩系数波动变化,扭角越大、力矩系数波动的幅度越小。其中叶片扭角为30°和60°的叶轮做功能力较强,但是力矩的波动也较大,因此运行稳定性较差,特别是负力矩部分也较大,不利于叶轮的旋转做功。叶片扭角为90°的风机,力矩波动幅度较小,风力机运行稳定,而且产生的力矩大部分为正,负力矩相对较小,效率较高。叶片扭角为120°的叶轮虽然没有负力矩,但是正力矩太小做功能力太差。

4 结论

1)提出了垂直轴螺旋形垂直轴风力叶轮,并对断面翼型在不同迎风角度下的受力特征进行了分析。风力叶轮在不同位置时,叶片所受的空气动力会产生一个使叶轮旋转的转矩。

图6 不同叶片扭角的力矩系数分布

2)在最大力矩系数条件下,沿叶轮高度方向取三个不同截面,各个叶片翼型周围的速度场随叶片扭转角度的改变相差较大,各个叶片之间的气流存在强烈的干扰,发生了气流的动量转换和能量传递;在三个从上至下的断面上,翼型上下表面的压差逐渐减小,升力作用也相对减小。

3)基于不同扭角条件下,叶轮力矩系数分布不同,随着扭角的增大而减小,而且扭角越大,力矩系数的波动幅度越小,当扭角为90°时,力矩波动幅度较小,并且正力矩系数远大于负力矩系数,有利于风轮的旋转,运行相对稳定。

[1] 贺徳馨.我国风工程研究现状与展望[J]力学与实践,2002, 24(4):10-19.

[2] Kang Can,et al.Com parison study of a vertical-axis spiral Rotor and a conven tional savonius rotor[C]//Proceedings of Asia-Pacific Pow er and Energy Engineering,Chengdu, China,M arch 28-30,2010.

[3] Zhang Feng,Kang Can,et al.Ex periment and performance evaluation of a new vertical-axis spiral rotor[C]//P roceedingsof asia-pacific pow er and energy engineering,chengdu, China,2010.

[4] Kunio Irabu,Jitendro Nath Roy.Characteristics of wind pow er on Savionius rotor using a guide-box tunnel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007(32):580-586.

[5] M enet J L.A double-step savonius rotor for local production of electricity:a design study[J].Renew able Energy, 2004,29:1843-1862.

[6] 郑 云,吴鸿斌,杜堂正,等.基于叶片弦长的小型H型垂直轴风机气动性能分析[J].机械设计与制造,2009,5(5): 190-192.

[7] 金雪红,梁武科,李 常,等.风速对垂直轴风力机风轮气动性能的影响[J].流体机械,2010,4(38):45-49.