升力型风机叶片的气动性能数值研究

2013-11-06陈冬赢于海涛

山西建筑 2013年12期

陈冬赢韩雪于海涛

(1.黑龙江科技学院建筑工程学院，黑龙江哈尔滨 150027;2.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090)

0 引言

我国经济快速发展的同时，我们的生存环境日益恶化，能源供应十分紧张。因此，改善能源结构，降低环境污染，开发清洁、可再生能源引起了人们的广泛关注[1-3]。风能因其清洁环保，储量丰富，不产生温室气体，可再生等优点成为了人类积极开发的能源之一[4]。目前，风能利用的最主要形式就是风力发电，风力机是风能发电的重要设备，它是把风能转换为机械能的装置。我国现在运行的风机平均运行效率只有40%～60%，低于国家要求的70%[5]，而作为风力机的核心部件的叶片的气动性能的优劣直接决定了风能的利用率大小，因此，风力机叶片的气动性能研究尤为重要。本文以翼型NACA0018的叶片为研究对象，基于计算流体力学中的动网格技术，对其进行多个风速下数值模拟进而研究它的气动性能，为设计出高效能的风力机奠定基础。

1 基本参数

1.1 扭矩系数

常用扭矩系数来表示风力机输出扭矩的大小，其表达式如下:

其中，CM为扭矩系数;M为扭矩，N·m;r为空气密度，kg/cm3;v为来流风速，m/s;S为风轮扫掠过面积，m2;R为叶轮半径，m。

1.2 输出功率和风能利用系数

风力机有效功率即风力机输出功率，是风力发电机的重要参数，其计算表达式如下:

其中，N为风力机的有效功率，W;w为风轮的转速，r/min。

风能利用系数作为风力机最重要的特性参数之一，它是风力机功率与风轮扫掠面内风能总量的比值来定义的，常用Cp表示，其表达式如下:

其中，P为风力发电机功率，W。

2 数值模拟

2.1 模型参数

本文以升力型三叶片风力机为示例风机，结构示意图如图1所示。叶片翼型为NACA0018，对叶片气动性能进行数值模拟。其参数为:叶片弦长0.7 m，风轮直径3.6 m，受风高度12 m，额定风速12 m/s。

图1 风机结构示意图（单位：mm）

2.2 划分网格

采用Gambit软件对叶片进行网格划分，生成非结构化网格，其具有可以简单直接的做出建立模型、网格化模型、制定模型区域大小等优点。

其中圆形以外区域为静区域，其图形规整，故采用结构化网格划分，生成四边形网格;圆形内部为动网格区域，采用非结构化网格划分，生成三角形网格;其中每个叶片上选取200个节点，圆形边界选取300个节点。

2.3 结果与分析

数值模拟共分四个工况，转速w分别为120 r/min，160 r/min，200 r/min，240 r/min，采用非线性RNG k—e湍流模型。如图2所示为叶片扭矩系数。横坐标为速度比Vr，Vr=w/V，w为叶片转速，V为额定风速。由扭矩系数计算得到输出功率变化的曲线如图3所示，计算得到的风能利用系数变化曲线如图4所示。

图2 扭矩系数

图3 输出功率

由图2～图4中可以看到，转速在200 r/min为临界点，在临界点之前的速度变化范围内，叶片的扭矩系数随着转速的增大而增大，但增大的幅度逐渐减小。叶片的输出功率和风能系数随着转速的增加而大幅增加。而在临界点之后，其扭矩系数、输出功率和风能利用系数增幅较小，转速增大对风力机结构要求更高，所以转速为200 r/min时，其气动性能最佳。

由图3与图4结果比较可得，在转速为120 r/min时，两种数值模拟方法得出的结果相近。在转速分别为160 r/min，200 r/min时，动网格数值计算出来的输出扭矩小于滑移网格的模拟结果，输出功率和风能利用系数略小于滑移网格的模拟结果。在转速为240 r/min时，动网格数值模拟结果表明，其功率和风能利用系数有小幅增长，而滑移网格数值结果显示其输出功率和风能利用系数却急剧下降。