叶片后加小翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

李岩，郑玉芳，唐静，冯放，田川公太朗

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨　150030；2.东北农业大学理学院，哈尔滨　150030；3.日本鸟取大学地域学部，日本鸟取　6808552）

叶片后加小翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

李岩1，郑玉芳1，唐静1，冯放2，田川公太朗3

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030；2.东北农业大学理学院，哈尔滨150030；3.日本鸟取大学地域学部，日本鸟取6808552）

为改善直线翼垂直轴风力机叶片周围流场特性，在叶片后部加设辅助小翼调整叶片尾流流场，利用数值模拟方法研究该风力机气动特性。以NACA0018翼型2叶片风力机为对象，辅助小翼与主叶片在同一在旋转圆周上，通过改变小翼与主叶片弦长比和安装角调整小翼与主叶片位置。结果表明，小翼尺度与安装位置对直线翼垂直轴风力机气动特性影响较大，在低尖速比时辅助小翼可改善叶片尾流流场，提高风力机气动特性，功率系数在尖速比从0到获得最大功率系数之前均较不带小翼风力机有不同程度提高，当辅助小翼弦长比为0.4，相对夹角为14°时，对主叶片周围流场改善效果最显著，风力机获得最大功率系数尖速比提前至2.2附近。

垂直轴风力机；辅助小翼；流动控制；数值模拟；气动特性

网络出版时间2016-7-20 16:53:25［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160720.1653.016.html

李岩,郑玉芳,唐静,等.叶片后加小翼垂直轴风力机气动特性数值模拟[J].东北农业大学学报,2016,47(7):76-81.

Li Yan,Zheng Yufang,Tang Jing,et al.Numerical simulation on aerodynamic characteristics of vertical axis wind turbine with auxiliary blade behind main blade[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):76-81.
(in Chinese with English abstract)

直线翼垂直轴风力机是一种升力型风力机，适合在中小型风能领域应用，市场前景良好［1-2］。在低尖速比下大攻角工况运行时，叶片在旋转过程中会出现较多流动分离，产生大量涡旋，使风力机在低风速和低尖速比时性能发挥不稳定［3-4］。国内外学者开展大量研究，开发新型直线翼垂直轴风力机专用翼型［5-6］，在叶片周围安装导流装置［7-8］和通过与其他类型风力机组合改善风轮内部流场［9-10］。通过在叶片周围安装辅助装置来控制叶片周围流场，是提高风力机气动特性新手段。陈珺等在直线翼垂直轴风力机叶片前缘加装微小圆柱，计算风力机在低尖速比下性能改善情况［11］。梅毅提出在直线翼垂直轴风力机叶片上加装襟翼方案［12］。黄娟等提出在极小攻角处添加导叶改善垂直轴风力机性能［13］。

本研究采取在直线翼垂直轴风力机叶片后部尾流区域安装辅助小翼方法，通过小翼改善叶片尾流以及风轮内部流场，提高风力机气动特性。以NACA0018翼型2叶片直线翼垂直轴风力机为对象，利用数值模拟方法，对比分析与主叶片不同弦长比和安装角辅助小翼对风力机叶片周围流场和风力机气动特性影响。

1　风力机模型与辅助小翼设计

本研究提出在直线翼垂直轴风力机辅助小翼与主叶片相对位置见图1。选取NACA0018翼型2叶片典型直线翼垂直轴风力机，风轮尺寸：风轮直径为D=0.8 m，叶片弦长为C1=0.125 m。由于辅助小翼与主叶片结合参数较多，本研究探讨辅助小翼与主叶片在同一旋转圆周上情况。小翼与主叶片有相同翼型，与主叶片相对位置关系主要由叶片弦长比（γ）和相对安装角（θ）两个参数决定。叶片弦长比定义为主叶片弦长C1与辅助小翼弦长C2比值。主叶片与辅助小翼间相对安装角定义如图1所示。本研究所定弦长比及相对安装角参数如表1所示。为研究不同方位角下风力机力矩特性，定义以主叶片为基准旋转方位角（α），如图1所示。

图1　具有辅助小翼风力机Fig.1Vertical axis wind turbine with auxiliary blades

表1　辅助小翼与主叶片相对位置参数Table 1 Relative position parameters between auxiliary blade and main blade

2　数值模拟方法

2.1计算模型

本研究采用二维计算流体力学方法作数值模拟。由于直线翼垂直轴风力机在高度方向具有相同截面形状，根据以往研究结果，采用二维模型the maximum power coefficient was improved in different degree than the wind turbine without the auxiliary blade.When the auxiliary blade chord length ratio was 0.4,the relative angle of 14,the most significant effected on main flow field around blade and wind turbine obtained advance to 2.2 near the maximum power coefficient tip speed ratio.

图2　网格划分Fig.2Mesh generation

2.2算方法

选用结果较为稳定RNG k-ε双方程模型计算湍流，通过二维不可压非定常有限体积法求解N-S方程，压力和速度耦合采用SIMPLE算法，湍动能、湍流耗散率均采用较高精度二阶迎风格式。计算域边界条件设置为速度入口和压力出口，定义入口速度10 m·s-1，出口压力与大气压相等，滑移面采用滑移网格技术，旋转域与静止域交界面设定为滑移网格交界面，设置为interface。

2.3记算方法验证

为验证可靠性，对比两叶片风力机风洞试验与数值计算结果。试验系统、装置与方法按文献［16］进行。不同尖速比下风力机功率特性见图3。数值计算与风洞试验结果在趋势上有较好一致性，计算结果在某些尖速比下略高于试验结果，主要原因是计算模型与试验模型之间存在差异，试验测试中存在摩擦损失等，采用本研究数值计算方法精度高和可行性强。

图3　风力机功率系数计算与试验结果○Fig.3Power coefficient of wind turbine by simulation and experiment

3　计算结果与分析

3.1辅助小翼对风力机输出功率特性影响

设定不同弦长比和相对安装角下，有无小翼风力机功率系数曲线见图4。

由图4可知，无辅助小翼风力机最大功率系数为0.3，在尖速比2.6附近获得。安装辅助小翼后，最大功率系数均有不同程度降低，这种趋势随着弦长比和相对安装角增大逐渐显著。说明安装辅助小翼后影响风力机最大功率输出，使小翼尽量靠近主叶片且小翼与主叶片弦长比不能过大。

图4　有无辅助小翼风力机功率系数Fig.4Power coefficient of wind turbine with or without auxiliary blades

当弦长比为0.2（见图4a），安装角为12°时，安装辅助小翼后风力机尖速比从0到2.4之间功率系数均有提高，但其他安装角无明显变化，尖速比2.4以后，有小翼风力机功率系数低于无小翼风力机。当弦长比为0.4时（见图4b），安装角为14°有小翼风力机最大功率系数出现在尖速比为2.2时，但较无小翼风力机略低。尖速比从0到2.2，有小翼风力机功率系数均大幅高于无小翼风力机。辅助小翼使风力机在低尖速比下气动特性明显改善，使最大功率系数尖速比提前，风机能在较低尖速比下获得较高输出功率。随相对安装角增大，即18°、22°、26°工况，功率系数曲线较无辅助小翼风力机曲线无显著变化。当弦长比达0.6时（见图4c），有小翼风力机功率特性类似前两种弦长比，但在低尖速比下功率特性改善较弦长比为0.4时差。弦长比为0.8时（见图4d），安装辅助小翼后风力机功率性能显著下降，仅在某一段尖速比下功率系数略有提高，说明无论安装角度如何调整，辅助小翼弦长过大严重影响风力机输出性能。

3.2辅助小翼对风力机转动力矩特性影响

根据以上分析，有小翼风力机最大功率系数出现在尖速比为2.2时，为进一步分析小翼对风力机气动特性影响，在γ2=0.4、θ=14°和γ4=0.8、θ= 18°两种参数条件下，计算尖速比为2.2时风力机在一个转动周期内力矩随旋转方位角变化情况。由于选取2叶片风力机，所以旋转周期为180°。有无辅助小翼三种风力机在180°方位角内力矩系数曲线见图5，力矩系数计算间隔为5°。

由图5可知，无辅助小翼风力机力矩系数曲线整体上呈正弦分布态势，最大力矩系数出现在90°附近。安装辅助小翼后，最大力矩系数最大值出现滞后，弦长比为0.4时在95°方位角附近，弦长比为0.8时在105°方位角附近。随着最大力矩系数最大值滞后，在其他旋转方位角下力矩系数出现不同变化规律。在0°～90°范围内，无辅助小翼风力机力矩系数曲线在有辅助小翼风力机力矩系数曲线之上，而在90°～180°范围内，有辅助小翼风力机力矩系数曲线开始逐渐高于无辅助小翼风力机。说明辅助小翼对风力机气动特性改善与风力机旋转方位角密切相关。

3.3安装辅助小翼后主叶片周围流场分析

为探明添加辅助小翼后，风机叶片周围流场变化对风能利用率影响［17］，分析叶片周围压力场及流场变化。三种风力机叶片周围流线分布与压力分布见图5。

在0°、60°、90°和120°四个方位角下计算有无辅助小翼风力机的计算流场如图6（尖速比为2.2）。

图5　不同弦长比下力矩系数特性曲线Fig.5Different chordlengthto torque coefficient curve

图6　有无辅助小翼风力机叶片周围流线与压力分布Fig.6Streamline and pressure contours around wind turbine blade with or without auxiliary blade

由图6可知，当а=0°时（见图6a），对于叶片组A，弦长比为0.4时小翼对主叶片尾缘部的流场分离产生抑制作用，但对于弦长比为0.8小翼，主叶片尾缘部又出现较明显回流。对于叶片组B，明显可见在无辅助小翼叶片上部有涡旋存在，而安装弦长比为0.4辅助小翼后，涡旋消失，但在弦长比为0.8时，又有新涡旋出现在主叶片和辅助小翼之间上表面区域。当а=60°（见图6b），安装辅助小翼未对叶片组A主叶片产生较大影响。而对于叶片组B，辅助小翼使主叶片尾流区域发生分离，对主叶片压力面入流产生较大影响。可见在这种工况下，辅助小翼对主叶片产生负面影响，并随小翼与主叶片弦长比增大而加剧。当а=90°时（见图6c），辅助小翼并未使叶片组A右侧涡旋发生太大变化，叶片组A两侧压差变化并不显著。对于叶片组B，未安装辅助小翼时，主叶片右侧前缘区域和左侧中间区域出现两个较小低压区域，弦长比为0.4时，主叶片前缘右侧低压区增加，主叶片左侧中间区域低压区消失。弦长比为0.8时，主叶片右侧前缘区域低压区范围减小，在主叶片和辅助小翼左侧中间区域出现较大范围低压区域。当а=120°时（见图6d），对于叶片组A，弦长比为0.4时小翼使主叶片右侧面涡旋有扩散趋势，当小翼弦长比为0.8时，在主叶片与辅助小翼间有大范围涡旋形成。对于叶片组B，弦长比为0.4时小翼能较好的抑制主叶片背面尾流部的回流现象，使叶片背面负压区扩大，改善了流动情况。但弦长比为0.8时小翼又使主叶片背面出现流场分离现象，由于辅助小翼存在，力矩叠加使风轮整体力矩增大，较无小翼风力机力矩提高。综上所述，在不同方位角下，由于风力机叶片迎风位置不同，前后叶片影响不同。因此，有无小翼的存在使原有的这种影响发生了改变小翼的风力机叶片周围流场差异较大，影响机理较复杂，需后续深入研究。

4　结论

a.低尖速比下，安装辅助小翼对风力机气动特性起到改善作用。在辅助小翼距离主叶片尾部较近位置时，最大功率输出点均有不同程度提前。弦长比改变对风力机功率输出影响最显著。在弦长比0.4、相对夹角为14°时，效果最明显，最大功率输出点提前至2.2。

b.安装辅助小翼对风力机主叶片周围流场影响体现在叶片两侧压差和流动分离两方面，尤其是辅助小翼弦长比为0.4、相对夹角为14°时，辅助小翼使主叶片两侧压差发生较大变化，明显改善主叶片周围流场。

［1］李岩.垂直轴风力机技术讲座（四）升力型垂直轴风力机相关理论［J］.可再生能源，2009（4）:121-123.

［2］冯放，李岩，李元强.寒冷地区风能资源测量与风力发电可行性分析［J］.东北农业大学学报，2011，42（8）:62-66.

［3］杨从新，李寿图，王秀勇.低风速下H型垂直轴风力机气动性能［J］.排灌机械工程学报，2014，32（10）:888-893.

［4］张立军，刘华，赵昕辉，等.垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法［J］.可再生能源，2016，34（2）:232-237.

［5］林邓添.新型风力机专用翼型试验研究［D］.重庆:重庆大学，2010.

［6］汪泉.风力机叶片气动外形与结构参数耦合设计理论研究［D］.重庆:重庆大学，2013.

［7］李岩，唐静，田川公太郎，等.圆台型聚风罩对垂直轴风力机起动性影响数值计算［J］.东北农业大学学报，2016，47（4）:95-101.［8］姬俊峰，邓召义，蒋磊，等.5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计［J］.工程热物理学报，2012，33（7）:1139-1142.

［9］史亮.新型升阻混合型垂直轴风力机数值研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012.

［10］王绍龙，李岩，和庆斌，等.直径比对组合型垂直轴风力机气动特性影响仿真计算［J］.可再生能源，2014，32（1）:63-67.

［11］陈珺，孙晓晶，黄典贵.一种叶片前缘前带微小圆柱垂直轴风力机［J］.工程热物理学报，2015，36（1）：75-78.

［12］梅毅.低风速H型垂直轴风力机叶片翼型研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

［13］黄娟，赵振宙，叶芬，等.导叶式升力型垂直轴风力机数值模拟［J］.可再生能源，2013，31（10）：53-56.

［14］张兆顺，崔桂香，徐春晓.湍流大涡数值模拟理论和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［15］杨从新，巫发明，张玉良，等.基于滑移网格垂直轴风力机非定常数值模拟［J］.农业机械学报，2009，40（6）:98-102.

［16］和庆斌.双层可伸缩式垂直轴风力机结构及气动特性计算研究［D］.哈尔滨:东北农业大学，2015.

［17］张立茹，汪建文，曲立群，等.风力机叶尖有无小翼三维流场数值研究［J］.太阳能学报，2011（11）:1599-1604.

Numerical simulation on aerodynamic characteristics of vertical axis wind turbine with auxiliary blade behind main blade

LI Yan1,ZHENG Yufang1,TANG Jing1,FENG Fang2,Tagawa Kotaro3
(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;3.Faculty of Regional Sciences,Tottori University,Tottori 6808552,Japan)

In order to improve flow field characteristics around the vertical axis wind turbine blade，this study was committed to design a straight-bladed vertical axis wind turbine(SB-VAWT)with auxiliary blade behind main blade,the purpose of which was to adjust the wake flow field of blade,and the numerical simulation method was conducted to simulate the aerodynamic characteristics of wind turbine.A wind turbine with 2 blades was studied as the object in the test,and the airfoil of which is NACA0018.The auxiliary blade and blade were in the same rotation circumference.To adjust the position between auxiliary blade and blade,the blade chord length ratio and installation angle were changed then.The results showed that the scale of the auxiliary blade and the installation location had dramatic effect on the wind turbine aerodynamic characteristics,and auxiliary blade could improve the wake flow field of blade and enhance the aerodynamic characteristics of wind turbine while it was at low tip speed ratio,the power coefficient of wind turbine with auxiliary blade at the tip speed ratio from 0 to

vertical axis wind turbine(VAWT);auxiliary blade;flow control;numerical simulation;aerodynamic characteristics计算结果具有较高可信度［14-15］。为让流场和尾流不受空间边界条件影响，提高计算速度和计算质量，采用8D×15D长方体风场作为计算区域，如图2所示。为让风力机尾流发展更加充分，将模型放置于长方体流体域前1/3位置处。计算域分为动网格和静网格两个区域分别划分网格，静网格采用较为稀疏结构化网格，动网格为风力机旋转区域，采用加密非结构化网格。

TM315

A

1005-9369（2016）07-0076-06

2016-05-14

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541012）；东北农业大学研究生科技创新基金（yjscx14022）

李岩（1972-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为风能和可再生能源综合利用。E-mail:liyanneau@163.com