H型垂直轴风力机风轮气动性能分析

2022-04-06连梦林张丽娜文振华黄春犁曾庆仪刘媛媛顾煜炯

电力科学与工程 2022年3期

耿直，连梦林，张丽娜，文振华，黄春犁，曾庆仪，姚瑶，刘媛媛，顾煜炯

（1. 郑州航空工业管理学院航空发动机学院，河南郑州 450046；2. 华电郑州机械设计研究院有限公司科技信息部，河南郑州 450046；3. 清华大学能源与动力工程系，北京 100084；4. 国家火力发电工程技术研究中心（华北电力大学），北京 102206）

0 引言

作为一种清洁无污染的可再生能源，风能因具有来源广泛以及容易利用的特点而受到人们的关注。地球上可利用的风能储量丰富[1]。

风力发电是当前风能利用的一种有效形式。风能转换的关键设备是风力机。风力机是将风能转换为电能的机械动力装置。按风轮结构的不同，风力机主要分为水平轴和垂直轴风力机2大类。近年来，水平轴风力机已实现商业化生产与工程化应用。为推动垂直轴风力发电设备向成熟化发展，国内外许多学者致力于提高和改善其风能利用率关键技术的研究工作。

国内方面。文献[2]研究了风机在风场中的受力情况，设计出了2排风机机组的系统，解决了叶片迎风高度不一致问题。文献[3]给出了叶片处于0°时，风力机具有最高的转矩系数的研究结论。文献[4]认为在洁净空气工况下，风力机叶片在叶尖处的涡量最大，在上游叶片处失速状况明显。文献[5]提出成对布置的风力机结构，以促进风轮气动特性优化。文献[6]发现，当风轮选用NACA0015和NACA0018对称翼型时，风轮整体获得了更高的风能利用系数。文献[7]在优化2维模型的网格处理的基础上，分析了风轮运行特性，并对风轮的一些重要参数进行了分析研究。文献[8]对叶片翼型进行了强度校核分析，并以NACA0015叶片翼型为研究对象，发现增加叶片翼型厚度可减小叶片翼型变形量，提高叶片的使用寿命。文献[9]在网格节点优化的基础上，发现攻角在0°到8°之间波动时，数值模拟得到的结果最接近实验结果。文献[10]发现叶片翼型在正迎角范围内，垂直轴风力机的气动性能表现较优。文献[11]提出了一种同轴对转式的设计，可为海上垂直轴风力机的结构优化设计提供一定参考。文献[12]设计了一种聚风装置，提高了垂直轴风力机的功率系数。文献[13]对比了NACA0018和非对称翼型S809这2种翼型，发现NACA0018结构的启动性能更佳。文献[14]优化了NACA0018的翼型设计，提高了最大升力系数。文献[15]优化了风轮的翼型结构，优化后的翼型和原翼型相比，最大功率系数提高了8.45%。

国外方面。文献[16]通过确定低尖速比的最佳气翼形状，为垂直轴风力机设计出优化的变形气翼结构。文献[17]发现叶片尖端的末端效应会产生显著的次流量，尤其在向风侧表现更为明显。文献[18]解决了风机扭矩波纹，即涡轮机在运行过程中产生的扭矩变化问题。文献[19]为了提高垂直轴风力机的综合性能，开发并使用了多级Savonius转子中扭曲叶片的新配置。文献[20]实施了一项数字战略，并成功预测了某垂直轴风力机与国家电价相比所产生的能源水平成本情况。文献[21]设计了一种带有 NACA0018空气翼的垂直轴风力机，得到了可输出23.45 W的风能转换功率结果。文献[22]详细介绍了 NACA0018、NACA0021和NACA0025这3种不同翼型的小型垂直轴风力机的计算模型和数值模拟方法特点。

综上所述，在垂直轴风力机的气动特性领域，研究者们开展了诸多关于实验、数值模拟方法及理论分析等方面的研究工作[23]。目前，针对垂直轴风力机远场尾流风速分布、风轮压力和湍流动能流场分布特性等方面的研究较少，尚未总结出相对准确的流场分布规律。因此，本文采用CFD数值模拟软件，针对该问题建立合理的计算模型，开展仿真研究，分析其内部变化规律。

1 垂直轴风轮物理模型

垂直轴风力机（vertical axis wind turbine，VAWT）的风轮叶片的旋轴是垂直于地面的，其结构相对简单，常匹配小型风力发电机，易于维护与安装。VAWT系统的特点是：重心较低，容易适应复杂环境，不需要偏航装置；在转速低时也可以发电；风轮转动半径小，节约空间，可以容纳更多的设备。以上突出优势都促使VAWT非常适应于区域化分布式能源的工程应用。

典型的H型垂直轴风轮结构示意图如图1所示。H型VAWT主要由叶片连杆、叶片、转子等组成。当风轮运行时，任意方向的来流风均能推动风轮以一定转速旋转做功。本文在研究中假设来流风水平地流向风轮本体结构。

图1 H型垂直轴风轮结构示意图Fig. 1 Structure diagram of H-type vertical axis wind wheel

为了节省计算资源、提高计算效率，建立2维H型VAWT计算模型。风力机的计算域简化模型俯视图如图2所示，图中旋转区域半径R为1.2 m，翼型为NACA0018。设定垂直轴风轮为4叶片风轮，叶片弦长为0.41 m，叶尖速比为4。调用某地典型时段的自然风速气象数据，分别选取来流风速分别为5 m/s、10 m/s和15 m/s作为初始条件。

图2 仿真计算域简化模型Fig. 2 Simulation computational domain simplified model

2 流场数学模型建立

2.1 控制方程

连续性方程为：

动量方程为：

能量方程为：

式中：ρ为密度；λ为导热系数；μ为运动粘度；cp为比热容；ux为x方向上的速度；uy为y方向上的速度；h为比焓；τ为时间。

2.2 风力机性能参数方程

叶尖速比λ表达式为：

力矩系数Cm表达式为：

风能利用系数Cp表达式为：

式中：U为来流风速；V为风轮外径切线速度；ω为风轮角速度；ρ为空气密度；A为风轮扫掠面积；P为风力机轴功率；E为风轮扫掠面积风功率。

2.3 边界条件

模拟中，主要对风机左边界、右边界、上下边界、翼型表面以及动静区域的交界面等进行了设置，如图2所示。

2.4 网格无关性验证

利用ICEM软件进行计算域的二维模型网格划分，整个计算域如图3所示。风轮内部的流场变化十分复杂，在接近翼型壁面处更是如此。为提高翼型表面附近网格的划分质量，在其附近进行了网格加密化处理。

图3 计算域网格划分Fig. 3 Mesh generation of computational domain

由于网格数量会对最终的数值模拟结果有影响，为确保所画网格及模型建立的可靠性与合理性，本节分别采用了104 020、207 912、376 720这 3种不同规格的网格数进行模拟计算。以最大空气流速作为监控量。当进口速度为 15 m/s时，这 3种网格数量下的空气最大流动速度计算结果分别为44.03 m/s、44.04 m/s、44.04 m/s。由此结果可知，网格数超过207 912后，网格数的进一步增大对最大空气流动速度计算的影响可忽略不计。为方便计算，确定最终所选网格数为207 912，可满足仿真计算结果的合理性与可靠性。

3 流场分布与气动性分析

3.1 速度场分布特性

图4示出了当叶尖速比为4时不同进口速度下的风轮速度分布。

图4 不同来流风速下的速度分布云图Fig. 4 Cloud diagram of velocity distribution under different incoming wind speeds

由图4可知，气流速度最大的位置位于翼型壁面附近，速度最小的位置基本分布在风力机的后面，并在风力机的尾部形成一个拖尾。外界来流风速越大，叶片周围空气的流动速度就越大，呈现正相关变化趋势。此外，风轮所在旋转区域的后方，存在一条清晰明显的尾流区；这一区域内空气流动速度明显低于其它区域的流速。随着外部来流风速的增加，风轮后尾流区域的长度也逐渐变长，且左端的空气流动速度基本等于来流风速。从云图中可以看出，风轮四周的速度分布都不同，而且四周空气的流动速度改变较为明显。

图 5示出了不同来流风速下风轮周围空气最大流动速度。由图可知：当外界来流风速为 5 m/s时，最大速度为18.9 m/s；当来流风速为15 m/s时，最大速度为44.0 m/s。

图5 不同来流风速下的风轮周围空气最大流动速度Fig. 5 Maximum air flow velocity around the wind turbine under different incoming wind speeds

3.2 压力场分布特性

图6为叶尖速比为4时不同进口速度下的流场压力分布规律图。分析图6可知，旋转区域附近的最大压力场出现在叶尖处。在翼型前缘和后缘之间形成的压差，成为风机旋转时的阻力。风轮外部压力明显高于风轮内部，这个压力差使得叶片有了向上运动的趋势，形成了叶片的升力，即风力机旋转的动力所在。

图6 不同来流风速下的压力分布云图Fig. 6 Cloud image of pressure distribution under different incoming wind speeds

图7示出不同来流风速下最大压力差的变化趋势。由图7可知，随着来流风速的不断增加，叶片上下缘之间的压力差不断上升，且差值越来越大。VAWT的升力主要来源于叶片上下缘的压力差；因此，随着来流风速的不断增加，风力机受到来流风的升力也变得越来越大。研究表明，当来流风速从5 m/s增大到15 m/s时，叶片上下缘之间的压力差增加到原来的6.5倍。

图7 不同来流风速下最大压力差变化曲线Fig. 7 Maximum pressure difference curve at different incoming wind speeds

3.3 湍动能场分布特性

图8示出了叶尖速比为4时不同进口速度下的流场速度分布规律。分析图8可知，在3种不同来流风速运行工况下，风轮后端都会形成一个高湍流流动区域。从图8中可以看出，随着来流风速的不断增大，尾流中高湍流区域距离风轮的中心点距离则越来越大。具体计算结果显示，当来流风速每增加5 m/s时，高湍流区域距离风轮旋转中心的长度增加2.5 m左右。