Savonius风力机叶片气动性能模拟与分析

2021-06-30曲宝麟桂小红程鲁康高日鹏施永博李舜尧宋增光

中国建材科技 2021年1期

曲宝麟桂小红程鲁康高日鹏施永博李舜尧宋增光

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

近年来，能源问题愈加被重视，对风能的开发利用变得迫在眉睫。目前，研究风力机气动性能的方法有数值模拟计算、风洞试验和风场测试等，其中，风洞实验与风场测试是研究风力机气动性能最直接明显的方法。考虑到风洞实验与风场测试受试验条件和技术水平限制，成本高、周期长。因此，理论计算在风力机初设阶段的性能分析中发挥了重要作用[1-4]。

本文使用商用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT对Savonius风力机(图1)空气流域进行计算分析，得到压力场、速度场等云图，直观分析其气动性能，从而为Savonius风机的设计提供一定的理论依据。

图1 Savonius风力机外形

1 计算模型的参数和建模过程

经考虑实际情况，假设风机额定输出功率为80W，设计风速为10m/s，转速为356rad/min，叶片总高度为1000mm，叶片直径为250mm，叶片厚度为10mm，转轴直径为60mm的Savonius风力机二维模型。设来流速度为10m/s。模型如图2所示。

图2 叶片二维模型

通过CAD对叶片建模，导入ICEM对半圆形叶片进行网格划分，并定义边界和密度。依据叶片大小，在叶片的表面生成一个风洞，风洞的形状为长方形。

将工作段直接从叶片处延伸到远处，这样具备较好的计算精度，因为风动限制了叶片周围气体的运动，对模拟精度有一定程度的影响。设叶片中心与来流入口距离为1000mm，与来流出口距离为4000mm。

先确定叶片和风洞各点的位置，将点连接成线，在风洞表面生成面，将风洞与叶片之间的面减去，拓扑检查几何形状是否丢失，在风洞表面生成一个Block，再对Block进行切分，切分出叶片的形状并删除相应的Block，对风洞、叶片边界与Block进行点和线的关联，对风洞进行结构网格单元划分，考虑到计算机性能，将节点间距调整为较小，在保证网格数量的基础上，提高计算精度，对网格进行检查调整，优化网格质量，使之满足计算要求，整个风洞网格划分结果如图3所示，叶片周围的网格划分如图4所示。划分网格后定义边条件,将风力机的叶片和转轴定义为wall,风洞表面定义为FLUID。最后保存为mesh文件备用。

图4 叶片周围的网格

2 流动控制方程

本研究中数值模拟对象为低速流动下叶片周围的非定常流场，可以不计算能量方程[3]。

忽略热传递的影响，且假设风机叶片周围气体不可压缩。数值模拟的基本方程为不可压缩的非定常二维N-S方程[4]:

湍流模型采用κ-ε低雷诺数双方程湍流模型[4]：

其中，κ为湍动能，ε为湍流耗散量。

3 数值模拟计算

选择二维单精度处理。同时对重叠、不规则排列的网格进行交换处理。定义湍流模型为具有非平衡壁面函数的标准双方程模型。

对叶片进行设置时将其选定为旋转壁面形式，运动方式为相对原点运动，以37rad/s的角速度旋转，将求解方式设置为二阶迎风格式，计算采用基于有限体积法的simple系列算法。将残差收敛级数设为0.000001进行迭代计算。迭代收敛后的结果见图5和图6。

图5 残差收敛图示

图6 扭矩收敛图示

4 结果分析

经过约3000次的迭代运算，残差和扭矩的误差都低于设定值。依据后处理软件，可得流场及叶片周围的速度云图和压力云图。选择整个流场区域display压力云图和速度云图，结果如图7和图8所示。

图7 压力分布云图

图8 速度分布云图

从图7可以看出叶片处的压力波动较大。左侧叶片等压面要大于右侧叶片的等压面，左侧叶片迎风侧压力较大，最大值为1.89e+03Pa；叶片背风侧较小，最小值为-1.80e+03Pa。故而形成压力差，使其绕中心转轴逆时针转动。由图8可得Savonius风力机叶片所在的区域速度较小，而速度梯度较大，即叶片左右两侧向转轴中心流速递减。

图9、图10为速度矢量图，通过分析可知：流体在抵达叶片之前，流速稳定，在抵达叶片后，流速发生显著变化。速度矢量分布图相对稳定，具有较小的扭矩系数，故该风机叶片的风能利用率较低。