基于ANSYS 的活塞风达里厄型垂直轴风力发电机设计与仿真

孙一中，魏轶凡，郭瑶蕾，龙江珊，朱子涵

（江苏大学京江学院，江苏 镇江 213000）

现代交通飞速发展的同时，消耗的能源也大量增加。据规划，全国地铁总历程未来将达到1.4 万km，涉及80 个城市。未来预计年耗电将达400 亿kW·h，约占全国总电耗的5%以上[1]。

活塞风是地下交通中不可避免的一种现象，当高速运行的列车进入隧道时，隧道中原先处于静止稳定状态的空气受到惯性撞击产生高压波，在列车进入隧道后，高压波迅速向后方运动，后方原先静止的空气加速变成压力波。当压力波向后方运动后又会加速原本该流场的空气，循环往复运动形成反射波。反射波将原先被加速的空气向气压较低的隧道上方反射，形成单向高速气流。在列车车身完全进入隧道后，由于流场阈激增，单向高速气流压力小于外界气压，产生负压波，形成反向高速气流，二者循环结合形成活塞风[2]。

岛式隧道车站受活塞风的影响，大量新风进入车站与隧道风井中，减少活塞风对车站和轨行区的影响，需大量降温、除湿，这是导致地铁车站运行能耗高的主要原因。活塞风呈规律性放生，所以属于可利用的二次能源[3]。由此可见，如果能减少活塞风的风量并将它转化为可用能源，不仅将节约地铁车站大量温控能耗，而且可以利用这些能源为低功耗场景提供照明。

1 理想环境设定

活塞风的影响因素众多，甚至是无法预测和定量的，比如列车运行速度和隧道截面、大小、阻尼比，以及隧道长度、通风竖井的数量和位置等。每个因素对隧道活塞风的作用和影响因素量是不固定的，所以只能通过理想情况去分析[2]。

假定以下理想状态条件：场域内流体粘性损失为1，场域内流速方向相同，列车进出及通风井的影响为0，忽略一切场域内因温度造成的环境影响。

2 达里厄垂直轴风电机设计

风电机风轮的设计主要是确定叶片数、风轮直径、风轮高度、叶片翼型以及叶片弦长等几何参数进行模拟估算，由于目前垂直轴风力发电机的数据均为大型风场的参考数据，因此只能按照理想状态进行参数模拟[4-5]。

在大型风电场中，风电机风轮直径取决于风力机本身的额定功率，还与风力机运行地区的海拔高度、风轮功率系数、传动效率及发电机效率有关，即：

式（1）中：P为风力机的额定输出功率，W；ρ为空气密度，取1.22 kg/m3；CP为风轮功率系数；A为风轮扫风面积，m2；V为风力机额定风速，m/s；η1为传动效率；η2为发电机效率[5-6]。

由式（1）可以得出，风轮的高径比HD与风轮高度H、风轮直径D之间存在如下关系式：HD=H/D=0.8～1.2[6]。对达里厄型垂直轴风力机来说，叶片数N一般取2～5 片。叶片弦长C可以由得到，其中R为风轮半径，N为叶片数，σ为叶轮实度，一般取σ=0.2～0.4。风轮的额定转速是一个重要指标，风轮的额定转速与其额定值有关，即：

式（2）中：λ0为风力机最佳叶尖速比。

设计时可以给定初始参数值，设计出理想达里厄型垂直轴风力发电机的模型[6-7]。假设功率P、风速V、效率η1η2、风电机类型（此处选择D型的变形），可确定叶片扫风面积A与风轮直径D及风轮高度H的函数关系，选定风轮的高径比HD、叶片数N、叶片翼型及叶轮实度σ，便可以得到风轮直径D和叶片弦长C[5]。同时如果确定风轮功率系数CP，那可以根据所求出的雷诺数，得到CP-λ的特性曲线，并可以求出额定转速。

由于活塞风为非稳态流动问题，计算完成要以迭代计算达到周期稳定为节点。此时，在原有计算的基础再进行一个周期的迭代计算，在计算中将这一周期划分为M等份，并在每个时间段均输出风轮产生的扭矩Ti（1≤i≤M），则可以计算出风轮的平均扭矩为：

因此，风轮的输出功率为：

根据上述数据计算，基于活塞风影响因素因子为1设计的地铁隧道风力发电设备主要有曲轴柔性叶片、S型柔性叶片、风力传感器、连接轴、转向杆、支架、马格努斯效应风轮等。

3 达里厄垂直轴风电机建模

使用UG NX 软件可进行建模。用拉伸命令创建一个直径为60 mm、长为600 mm 的固定杆，在距离圆柱底端150 mm 和450 mm 的位置分别创建2 个长30 mm、Φ80 mm 的圆柱，然后对2 个Φ80 mm 的圆柱上下两端进行拉伸，形成凹槽。以凹槽的端面为参考面，距离5 mm 的地方创建一个基准平面。在基准平面上画出叶片的形状后进行拉伸，如图1 所示。

图1 达里厄垂直轴风电机转轴设计

将叶片阵列后，利用镜像特征命令，完成叶片在上下2 个Φ80 mm 的圆柱的创建。在上下相互错位的叶片上绘制如图2 所示的样条曲线，同样进行扫掠操作后，对其扫掠特征进行阵列操作。

图2 达里厄垂直轴风电机风轮设计

在靠近下面叶片的部位创建一个直径为10 mm、长100 mm 的连接轴，然后在YC-ZC 平面绘制一个长方形草图，在连接轴的中部绘制一个样条曲线。再利用扫掠命令创建出S 型柔性叶片。在靠近连接轴底部使用拉伸命令创建一个圆柱体后，进行一些细节处理完成风机机的绘制，如图3 所示。

叶片是风电机的最重要构件，叶轮是接受风能的构件，在叶片和风轮的共同努力下将风能传递给发电机的转子，使之旋转切割磁力线而发电[8]。

利用以上步骤，设计完成达里厄垂直轴风电机模型，小巧轻便、高效，适合在隧道空间内安装，是地铁利用活塞风的最佳选择之一。达里厄垂直轴风电机转轴、风轮、叶片设计分别如图1、图2、图3 所示。

图3 达里厄垂直轴风电机叶片设计

4 ANSYS 仿真分析

本文在查阅大量资料后，得到列车进出站时列车的平均车速。通过伯努力方程计算出的数值直接近似为活塞风风速，所以取平均风速3 m/s 作为恒定风速，在流场均一的情况下，进行计算仿真。

首先在布朗操作下建立一个隧道的流场，设定前后均匀风速为3 m/s，同时设置了一个环境函数，将隧道内的温度和其他因素设置为上文的假定条件，建立隧道的动网格模型。速度云图如图4 所示。压力云图如图5 所示。风电机体矢量云图如图6 所示。

图4 速度云图

图5 压力云图

图6 风电机体矢量云图

由图4、图5 可知，风速为3 m/s 的恒定风时，风电机受力面能最大限度地接收活塞风，叶尖速达到4 m/s，叶尖数比恒定。同时增加了迭代计算，如图7所示，在计算中可以发现，在速度恒定的情况下，一开始叶片的运行速率很快，随后逐渐趋于平稳，继续增加迭代计算，曲线逐渐趋于周期化。

图7 叠加计算示意图

某一时刻的中心远点力矩变化示意图如图8、图9所示。由图8 可看出，在保持流场均一稳定的情况下，叶片所受到的力矩正如图9 力矩变化图所展示的一样，每个面较为均匀，由于选取了单面一点，因此在图中会出现呈周期性的变化（一上一下）。在继续进行叠加计算后，后期的受力均匀更加明显，变化幅度也会逐渐变小。

图8 某一时刻的中心远点力矩变化示意图1

图9 某一时刻的中心远点力矩变化示意图2

上述均是假设在隧道流场均一稳定的情况下进行的仿真模拟，然而在现实生活中，隧道的环境是复杂多变的，甚至是不可预测的。所以在设置的时候，加入了环境的自定义函数。模拟了一个复杂环境工况，进行了10 000 次的迭代计算。结果符合预期的设想，如图10 所示。由于加入了隧道环境的不可控因素，曲线变得复杂很多，且呈现出不规则浮动，原因可能是横向风在以高速吹向风电机的时候，由于受到环境因素影响，改变了横向风在叶片上的切应力，导致受力不均衡。因此在进行受力分析和模拟时，不仅要加入一个工况，还需要对隧道进行仔细勘查和对环境进行仔细检测。

图10 UDF 情况下中心远点力矩变化示意图

5 结论

本文通过对叶片的载荷计算，得出在实际情况下，叶片受到切应力后会给叶片运转带来一个很大的横向力，仿真中也对应了这一点，说明在实际运用的过程中，应该在停用的隧道内进行不同的横向风测试，在测试结果的基础上对叶片的横向切应力进行计算，算出横向风对应的攻角，合理安装风电机。稳定风在风电机中的各个线速度符合叶片的载荷受力极限，叶片的旋转速度也符合风电机的运行情况。

通过对风电机的模拟仿真，得知它在隧道内的运转情况，改变不同的环境参数后，得到了与之前完全不一样的数据，数据更加贴近实际，说明运用此种方法来进行仿真比较可行。根据迭代计算10 000 次以后，叶片的承受载荷发生了变化，风速也由原先的稳定趋向不稳定，达到4.3 m/s 时出现了动平衡情况。

通过上述一系列的计算和分析，以及在ANSYS仿真过程中，证明有限元的精度计算满足目前的设计需求，利用有限元来模拟不同环境不同工况的活塞风电机的运行状态是完全可行的，也为后续继续对风电机叶片进行改进和设计提供了方法和理论依据。