基于格尼襟翼的多机组垂直轴风力机性能增效研究

2021-05-22倪露露缪维跑刘青松张万福

动力工程学报 2021年5期

倪露露，缪维跑,2，李春,2，刘青松，张万福,2

(1. 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2. 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093)

近年来，垂直轴风力机(Vertical Axis Wind Turbines，VAWTs)以结构简单、制造维护成本低、噪声污染小及可与建筑结合等优势受到学术界广泛关注[1-2]。然而，垂直轴风力机运行时，不同方位角下叶片攻角会发生大幅度周期性变化，极易引发动态失速并与尾流相互作用等问题，导致垂直轴风力机的风能利用率低于水平轴风力机[3]。因此，为了提高垂直轴风力机性能，学者们开展了大量研究，如优化风场布局或采用有效流动控制技术等[4-6]。

风电场中水平轴风力机的尾迹严重影响下游风力机的气动性能，导致其输出功率大幅下降[7]。为减少功率损失和降低疲劳损伤，水平轴风力机组间距通常较远，占据大量土地资源[8]。研究表明，垂直轴风力机组间的相互作用可对整机性能产生促进效果，提高其风能利用率[9]。1981年，Schatzle等[10]首次研究了垂直轴风力机组间的相互影响及整机气动干扰作用。Thomas[11]提出一对相距较近的垂直轴风力机组，可利用其相互作用获得更高的气动效率。Duraisamy等[12]通过对2台并排的垂直轴风力机组进行数值研究，结果发现风力机组反向及同向旋转均可获得比单风力机更高的功率输出。Lam等[13-14]通过实验研究得到与文献[12]相同的结论。韩振东[15]通过田口设计方法研究了实度、俯仰角、翼型、旋转方向及风力机间距对并排双垂直轴风力机组气动性能的影响，并得出最优工况下的参数组合。Zanforlin等[16]研究了双垂直轴风力机组性能提高的流动机理，结果表明，对于并排布置双风力机组，相邻的风力机改变了来流方向，使风向更有利于叶片产生力矩，且交错排布的风力机组气动性能要低于并排布置。Posa[17]采用大涡模拟方法研究了并排双垂直轴风力机组尾流特性，发现尾迹涡间相互作用对风力机组影响甚微，而阻塞效应对增加风力机组间下游风速和动量通量起关键作用。Ahmadi-Baloutaki等[18]对不同阵列下垂直轴风力机组性能展开系统研究，结果表明，并排机组的功率系数略高于单风力机，且下游风力机气动性能较高，并提出3台风力机的最优风场排布方案。

在流动控制研究方面，格尼襟翼(Gurney Flap，GF)作为有效提升翼型气动性能的流动控制装置，其在垂直轴风力机上的应用备受关注[19-20]。Xie等[21]研究了不同高度GF对NACA 0012翼型气动性能的影响，模拟结果表明，在翼型尾缘安装GF可显著提高翼型气动性能。Jang等[22]通过数值模拟方法研究了在翼型尾缘安装格尼襟翼后的效果，结果表明格尼襟翼可有效增加翼型升力系数和俯仰力矩。Ismail等[23]通过数值模拟研究了凹槽格尼襟翼对垂直轴风力机叶片性能的影响，结果表明，安装于叶片尾缘下表面的凹槽格尼襟翼可大幅提高叶片的平均力矩。Shukla等[24]采用数值模拟方法研究了凹槽、格尼襟翼及凹槽格尼襟翼对不同翼型垂直轴风力机性能的影响，得出攻角小于12°时，凹槽格尼襟翼的NACA 0021翼型气动性能更优。Yan等[25]研究了高度为1%～5%弦长的格尼襟翼对直线翼垂直轴风力机性能的影响，数值模拟结果表明格尼襟翼可有效提高风力机在低尖速比下的风能利用系数。Zhu等[26]通过数值模拟方法研究了格尼襟翼和凹槽格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响，结果表明，与原始风力机相比，添加格尼襟翼及凹槽格尼襟翼均可使垂直轴风力机获得更高的气动性能。Bianchini等[27]研究了不同安装位置和高度的格尼襟翼对垂直轴风力机性能的影响，得出在较低尖速比下，格尼襟翼能显著提高风力机气动性能，且布置在翼型内侧高度为2%弦长的GF效果最优。

目前，采用格尼襟翼对单翼型或单风力机性能的影响已有相关研究，但针对格尼襟翼在垂直轴风力机组风场的研究尚属空白。因此，笔者采用计算流体力学软件Fluent 19.2开展数值模拟，探究格尼襟翼对单垂直轴风力机及风力机组的影响，并分析垂直轴风力机在风场中的性能，为优化垂直轴风力机组整体性能提供参考。

1 计算模型及网格

1.1 几何模型

以三叶片直线翼垂直轴风力机为研究对象，二维风力机结构如图1，其中V∞为来流风速，ω为风力机转速，θ为风力机方位角，叶片1对应θ=0°。风力机模型参考文献[28]，基本参数见表1。

图1 二维风力机示意图

表1 垂直轴风力机主要参数

风力机叶片为NACA 0021对称翼型，几何参数见图2。图3为格尼襟翼翼型结构，基本参数参考文献[26]～文献[27]，高度hG为1.25c，宽度LG为0.05hG。

图2 翼型几何参数

图3 格尼襟翼翼型结构

1.2 计算域及网格划分

图4 计算域划分及边界条件

图5为垂直轴风力机组布置示意图。风力机组排布方式参考文献[18]，上游反向旋转的风力机VAWT1和VAWT2距离为D，下游风力机VAWT3转轴中心距上游风力机组转轴中心的水平距离为3D。垂直轴风力机组计算域尺寸、边界条件及计算域划分均与原始单风力机相同。

图5 风力机组布置示意图

原始单风力机计算域及叶片附近网格分布如图6所示。垂直轴风力机组网格分布如图7所示。旋转域E2采用非结构网格，E1、E3和E4均采用结构网格。由于叶片表面附近与风轮转轴附近流动情况较为复杂，故对此处网格进行加密处理。为保证精确模拟黏性底层的流动情况，取翼型表面第一层网格高度为3.173×10-5m，对应无量纲y+≈1。

1.3 计算方法及湍流模型

采用计算流体力学软件Fluent 19.2进行数值计算，基于有限体积法对Navier-Stokes流动控制方程进行离散，压力速度耦合基于Simplec算法，控制方程各项均采用二阶迎风格式。

图6 单风力机计算域网格分布

图7 风力机组网格分布

Rezaeiha等[29]对比不同湍流模型的计算结果发现，与其他湍流模型相比，TSST模型考虑了叶片表面层流至湍流的转捩过程，在模拟垂直轴风力机旋转时具有更高精度，故采用该湍流模型进行求解。计算时间步长对应风轮旋转角度为0.5°，取第16个旋转周期稳定结果进行分析。

2 有效性验证

尖速比λ为叶片线速度与来流风速比值，可以反映风力机运行工况。

λ=Rω/V∞

(1)

力矩系数Cm和风能利用系数Cp是判断风力机气动性能的重要参数，二者表达式如下：

(2)

(3)

式中：A为扫风面积，m2；ρ为空气密度，kg/m3；P为风力机输出功率，W；M为平均转矩，N·m。

2.1 网格无关性验证

为保证计算结果的可靠性，对网格数量进行无关性验证。通过改变各区域网格数量及翼型表面节点数，选取16.0万、33.3万、43.7万和66.2万4种网格数量，在来流风速为V∞=9 m/s、尖速比为2.62条件下，计算风力机单叶片力矩系数(见图8)。

图8 网格无关性验证

由图8可知，当网格数量为16.0万和33.3万时，单叶片瞬时力矩系数未达到稳定；网格数量由43.7万增加至66.2万时，力矩系数曲线基本重合，计算值独立于网格数量。因此，为满足网格精度要求，选取网格数量为43.7万。

2.2 气动性能验证

为验证所选湍流模型的准确性，基于已验证的网格数量，对不同尖速比下原始风力机性能进行数值计算，将计算值与文献[28]实验值进行比较，结果见图9。

图9 风能利用系数计算值与实验值的对比

由图9可知，在低尖速比范围内，本文计算值与实验值相吻合，由于二维计算忽略了支撑杆和机械摩擦损耗，导致高尖速比下计算值略高于实验值，但整体数值变化趋势保持一致，故所采用的湍流模型在模拟垂直轴风力机时具有准确性。此外，文献的实验数据样本数量较少，并未准确捕捉最佳尖速比。为详细描述Cp曲线，本文模拟增加了2个尖速比(2.72和2.82)，并得到最佳尖速比为2.72。

3 结果与分析

3.1 格尼襟翼对单风力机性能的影响

格尼襟翼是一种有效提高翼型气动性能的流动控制装置，图10给出了原始单风力机和格尼襟翼风力机(GF-单风力机)风能利用系数的变化曲线。

图10 不同尖速比下风能利用系数的变化

由图10可知，当λ<2.62时，GF-单风力机的风能利用系数明显高于原始单风力机，表明在流动分离现象严重的低尖速比范围内，垂直轴风力机叶片尾部安装格尼襟翼可有效抑制流动分离，改善叶片在低尖速比下的气动性能和失速特性。当λ=1.42时，GF-单风力机的风能利用系数相比原始单风力机明显提高，这显著提高了低风速下风力机的自启动性能。当λ≥2.62时，GF-单风力机与原始单风力机的风能利用系数曲线几乎重合，此时该装置并未起到改善效果，当λ增至3.28时，GF-单风力机的输出功率略低于原始单风力机，其控制作用已失效，导致输出功率略有下降。

为了深入探究GF对垂直轴风力机的影响，对比分析了GF-单风力机和原始单风力机的单叶片瞬时力矩系数随相位角的变化情况，如图11所示。图中，迎风区的平均力矩系数为θ=0°～180°时力矩系数的平均值，背风区的平均力矩系数为θ=180°～360°时力矩系数的平均值，在一个周期内平均力矩系数为θ=0°～360°时力矩系数的平均值。

(a) λ=1.62

(b) λ=2.35

(d) λ=3.28

由图11可知，在所研究尖速比范围内，叶片外侧尾缘安装格尼襟翼均可使风力机在迎风区获得较高的力距系数，而在背风区增加了额外阻力，导致力距系数降低。低尖速比范围内(λ为1.62和2.35时)，垂直轴风力机在一个旋转周期内叶片攻角变化范围较大，流动分离现象严重，而格尼襟翼可有效抑制流动分离，减缓叶片失速现象，提升叶片在迎风区的气动性能，使叶片在λ为1.62和2.35时迎风区的平均力距系数分别提高139%和55.8%。当叶片旋转至背风区时，叶片压力面和吸力面互换，格尼襟翼的位置由迎风区压力侧转变为吸力侧，使该装置失效，并增加了额外阻力，导致背风区力距系数明显低于原始单风力机。然而，在一个周期内，格尼襟翼仍能大幅改善垂直轴风力机的气动性能，λ为1.62和2.35时，平均力距系数可分别提高119.4%和26%。

当λ=3.1和3.28时，叶片攻角变化范围较小，且主要在失速攻角以下，气流几乎附着在叶片表面，动态失速现象较弱，格尼襟翼的改善效果不如低尖速比时明显。二者迎风区的力矩系数分别增加15.7%和16.2%，但整个旋转周期内力矩系数分别下降4.1%和3.6%，这是因为格尼襟翼增加了背风区阻力，整机气动性能降低。

对比图10和图11可知，中低尖速比下，格尼襟翼可显著提高风力机气动性能，而高尖速比下，格尼襟翼会增加叶片阻力，导致风能利用系数略低于原始单风力机。

3.2 风场中整机气动性能

为分析风场中风力机的气动性能，保持下游风力机转速不变，比较上游风力机组与原始单风力机的风能利用系数，结果如图12所示。

图12 不同尖速比下风能利用系数的变化

由图12可知，当垂直轴风力机组交错排布时，上游双风力机组风能利用系数与原始单风力机存在一定差异。低尖速比下，风力机组间影响较小，上游风力机气动性能与原始单风力机一致。当λ>2.72时，上游各风力机的风能利用系数均明显高于原始单风力机，且当λ为3.1和3.28时，VAWT1的气动性能最优，较原始单风力机分别提高了8.3%和7.8%。·

为探究风力机组的性能提升机理，图13给出了上游风力机组尖速比分别为1.62、2.35、2.62和3.1时的风力机组流场速度分布云图。

(a) λ=1.62

(b) λ=2.35

(d) λ=3.1

由图13可知，上游风力机组间流体速度明显高于来流风速。随着上游双风力机组尖速比的增加，机组间流体速度不断提高，这主要是由于双风力机组之间存在阻塞效应，对中间流体有明显加速效果，同时改变风力机周围流场结构会使上游风力机气动性能得到提高，并增加下游风力机的迎风速度，从而提高下游风力机的输出功率。

风场中，下游风力机气动性能易受上游风力机组影响，通过保持上游风力机组尖速比不变，改变下游风力机转速来探究下游风力机的气动性能。由于上游风力机组之间的阻塞作用对流体有加速效果，因此下游风力机实际迎风速度大于来流风速。由图13可知，上游风力机组尾流速度复杂，无法得出下游风力机准确的迎风速度和实际风能利用系数。因此，对比下游风力机与原始单风力机在一个稳定周期内整机的平均力矩，结果如图14所示。

图14 整机平均力矩的变化

由图14可知，不同尖速比下下游风力机的整机平均力矩均高于原始单风力机的平均力矩。当λ为1.42和1.62时，下游风力机气动性能显著高于原始单风力机，表明阻塞效应可提高下游风力机的迎风速度，使整机自启动性能得到改善。此外，与原始单风力机相比，在较高尖速比时，机组下游风力机的平均力矩也有显著提高。当λ为2.72、3.1和3.28时，下游风力机获得较大的平均力矩，比原始单风力机时分别提高了20.3%、22.2%和33.8%。因此，上游风力机组之间的高速区域对下游风力机气动性能有明显提升作用。

3.3 格尼襟翼对风力机组的性能影响

为探究格尼襟翼对垂直轴风力机组气动性能的影响，对表2中不同组合形式的风力机组展开数值研究。上游双风力机组保持尖速比2.62，以保证风场总发电量最大化，且避免上游风力机流场变化而影响结果。

表2 风力机组布局方式

通过改变各组合中VAWT3的转速改变其风力机尖速比，得到一个稳定周期内的整机平均力矩，并与原始单风力机进行比较，结果如图15所示。

图15 不同风力机整机平均力矩的变化

由图15可知，当λ<2.35时，组合A2中VAWT3平均力矩略高于组合A1；当2.35≤λ≤2.72时，组合A2和组合A1的2条曲线基本重合，表明上游风力机安装GF对该尖速比范围内的下游风力机气动性能改善效果不明显。当λ为3.1和3.28时，组合A2中VAWT3平均力矩较组合A1分别提高13.5%和3.2%，表明高尖速比时上游双风力机组叶片尾缘安装GF可有效提高下游风力机的风能利用系数。

当采用组合A3布局方式时，VAWT3可利用阻塞效应和格尼襟翼作用大大提高风力机气动性能，当λ≤2.82时，其平均力矩均高于其他风力机，且在λ=2.51时VAWT3平均力矩最高，比原始单风力机和GF-单风力机分别提高36.5%和24%。当λ>2.82时，GF作用效果减弱，组合A3中VAWT3的性能略低于组合A2。

为进一步分析格尼襟翼对风力机流场的影响，图16给出了不同尖速比下组合A1、组合A2的流场速度云图。

(a) λ=1.62

(b) λ=2.35

由图16可知，组合A2中上游风力机组间流场速度在各尖速比下均高于组合A1，即格尼襟翼风力机组对中间区域的加速效果优于原始风力机组，组合A2中VAWT3迎风速度大于组合A1中VAWT3迎风速度，因此其发电量高于组合A1中的VAWT3。此外，相同尖速比下，组合A2中上游风力机组的尾迹速度明显低于组合A1，这与图11结果相对应，表明格尼襟翼可使风力机叶片在迎风区捕获更多风能。