整流式垂直轴阻力型风力机性能的数值研究

王治云，李 猛，杨 茉

(上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093)

为了合理利用丰富的风能资源，各种结构类型的风力机被提出来[1]。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机据有很多潜在的优势。垂直轴风力机可进一步被分成二个不同的类型，升力型和阻力型[2]。相对于垂直轴升力型，垂直轴阻力型风力机还具有更优良的性能，比如更低的气动噪声；在低风速状态下的高扭矩；能抵御更极端的风。但是较低的风能利用率是后者最大的短板，这也是限制垂直轴风力机应用的一个重要原因[3-4]。

近年来，国内外已经在垂直轴阻力型风力机的数值模拟研究和实验研究方面取得了较大的进展[5]。Alam等人[6]设计了一种Savonius风轮在上，直线翼垂直轴风力机在下的组合型风力机。Chong等人[7]设计了一种安装在垂直轴风力机周围挡风板性质的聚风装置。曲建俊等人设计了一种活固叶片的升阻复合型垂直轴风力机。

本文对某型垂直轴阻力型风力机在不同风叶数、不同导流叶片数和不同尖速比下的工作流场进行了数值模拟，检测了压力场与速度场，得出了不同情况下该风机的工作性能，并得到了该型风力机效率最高时对应的风叶数和导流叶片数的组合。

1 计算模型和计算方法

1.1 计算模型和网格划分

图1 二维风力机计算模型

图2 计算区域示意

1.2 计算方法

在涉及垂直轴风力机CFD模拟的研究中，学者多采用SST k-ω湍流模型及其衍生模型计算，本研究亦采用SST k-ω湍流模型。控制方程采用与文献相同的二维雷诺平均守恒型N-S方程。采用SIMPLE算法求解压力和速度的耦合方程。湍流动能、湍流耗散率及动量方程的差分格式均采用二阶迎风差分格式，时间差分为二阶隐式差分。运用网格滑移技术对转动的风力机二维流场进行非定常模拟。初始时刻，所有固体壁面静止，整场空气流速均匀分布，大小与入口速度大小一致。计算时间步长取值0.001s。

1.3 模拟结果与分析

1.3.1 不同风叶，导流叶片数量组合对Cp的影响

尖速比是用来表述风力机特性的一个十分重要的参数。风叶轮叶片尖端线速度与风速之比称为尖速比(λ)；叶片越长或者叶片转速越快，同风速下的λ就越大。在风力机迎风方向上安装弧形导流叶片，可以改变叶轮周围的流场特性，有效减少叶轮在迎风的半个周期内所产生的负力矩，提高风力机效率。W代表导流叶片数量，N代表风叶数量；为了研究导流叶片数和风叶数对风力机效率的影响，本文对N=5、7、9、11、13；W=10、12、14、16、18的风力机性能进行了模拟研究。下图显示了上述每种风力机的最大风能利用系数与N，W的对应关系。可看出，当N=7，W=16时本型风力机风能利用系数取得最大值，最大值为15.5%。

图3 Cp与不同N，W关系汇总曲线

1.3.2 流场对比分析

当风力机的A风叶转动到θ=0度的位置时，如下图6涡量场所示。相对于N=7，W=16型风力机；N=7，W=10型风力机由于导流叶片数量稀疏，A风叶左侧相邻两导流叶片之间相互影响小，导流叶片左沿生成的涡体量较大，易与A风叶远心端生成的涡聚合；聚合形成的更大体量涡会在速度场以及A风叶绕轴转动的影响下进入A风叶的凹侧，最终在A风叶旋转到θ=75度附近脱离叶片。N=7，W=18型风力机，迎风侧做功区均匀阵列的导流叶片形成的导流方向与风叶在导流叶片附近的速度切线夹角过小，使得导流叶片处产生的分离涡与A风叶远心端生成的涡易聚合并进入A风叶凹侧。 由于在此运转区间N=7，W=10；N=7，W=18型风力机A风叶凹侧分离涡体量较N=7，W=16型要大，阻碍了气流的进入，从而降低了气流对A风叶所做的正功。这与压力云图上，除N=7，W=16型风力机A风叶凹处完全被高压覆盖，其他两种风力机A风叶凹处近心端压力均偏低的现象相符合。

当风力机的A风叶转动到θ=126度的位置时，如下图7所示，三种风力机A风叶左侧都有G叶片对来流的严重阻挡；分离涡的撞击成为A风叶做正功的主要驱动力。N=7，W=16型风力机A风叶左下方两导流叶片前者产生的分离涡在后者的导流下向右上方流动，冲击A风叶凹处从而在A风叶凹侧形成较高压力，驱动A风叶的转动。N=7，W=10型风力机，由于A风叶下方两导流叶片间距过大，导致后导流叶片对前导流叶片分离涡的导流效果差，前导流叶片分离涡向右下方流动脱离了风力机，降低了A风叶做正功的能力。N=7，W=18型风力机由于A风叶下方导流叶片间距过小，多个导流叶片的分离涡发生聚合，并在速度场的影响下向右下方流动，降低了A风叶的做功能力。

图4 三种结构风力机的A风叶，同周期运行到θ=36度位置的压力分布图及区间内涡量云图

图5 三种结构风力机的A风叶，同周期运行到θ=126度位置的涡量分布图及压力分布图

3 结论

本文对不同风叶数，导流叶片数组合的某型风力机进行数值模拟研究，分析了风力机附近涡量场及压力场的分布情况，得到了风能利用系数随尖速比、风叶数量，导流叶片数量等的变化规律。风能利用系数的主要影响因素是尖速比，不同风叶数，导流叶片数组合的该型风力机皆在尖速比为0.55附近达到最大值，最佳的风叶和导流叶片组合为风叶数为7，导流叶片数为16，风能利用系数最高可达到15.51%。当导流叶片数小于16时，迎风侧做功区导流叶片边缘的分离涡发展较充分体量较大，易与风叶远心端的分离涡发生聚合，进而阻碍了气流进入风叶凹侧做功；迎风侧阻力区由于导流叶片间隙过大导致相邻叶片的分离涡不能相互聚合来阻挡气流对风叶凸侧的冲击，增大了风叶凸侧产生的阻力。当导流叶片数量大于16时，迎风侧做功区均匀阵列的导流叶片形成的导流方向与风叶在导流叶片附近的速度切线夹角过小，使得导流叶片产生的分离涡与风叶远心端产生的涡聚合程度高。这些涡结构改变了风叶表面的压力分布，导致风叶做功能力下降。