升阻型風(fēng)力機風(fēng)輪氣動性能分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類認識水平的提高，垂直軸風(fēng)力機越來越受到重視。最常用的是垂直軸風(fēng)力機，也稱為darieus風(fēng)力機。目前對于升阻型風(fēng)力機的研究較少,一些學(xué)者主要是研究風(fēng)輪的尺寸比,如最佳高度比和半徑比等1計算值的值1.1k-模型的原理通過對不同湍流模型數(shù)值模擬的嘗試和比較,本文采用k-ω的SST湍流模型.該模型具有良好的穩(wěn)定性和收斂性k方程:ω方程:混合函數(shù)的表達式為同時,由于原始k-ω模型沒有考慮湍流剪切應(yīng)力的輸運,Menter認為這會導(dǎo)致對于渦黏性的過分估計,因此提出應(yīng)該使用以下公式對渦黏性進行限制:式中:F1.2幾何流場的建立及網(wǎng)格劃分建立如圖1所示的幾何模型,由于風(fēng)力機的流場是一個外流場,因此,在風(fēng)輪周圍建立一個b等于10倍風(fēng)輪直徑、c等于20倍風(fēng)輪直徑、寬a等于20倍風(fēng)輪直徑的長方形流場區(qū)域.為了更加清楚的看出流場的變化情況,將該區(qū)域劃分為7個區(qū)域,區(qū)域Z對建立好的模型進行網(wǎng)格劃分,劃分網(wǎng)格時對葉片周圍的網(wǎng)格進行加密1.3速度入口邊界條件由于環(huán)境來流速度和葉片的旋轉(zhuǎn)切向速度較低,因此可近似認為空氣為不可壓流體.對于不可壓流體,在已知來流速度時,可將邊界a定義為速度入口邊界條件;葉片表面定義為無滑移的絕熱固壁邊界條件;邊界f、g、h定義為自由出流;區(qū)域Z1.4風(fēng)輪轉(zhuǎn)動過程流場模擬湍流模型采用了k-ωSST二階模型.離散格式均采用二階迎風(fēng)離散格式,壓力速度的耦合采用SIMPLEC算法.為使計算過程降低對內(nèi)存的需求和具有較好的網(wǎng)格質(zhì)量,流場采用分塊耦合求解方法.本文對二維流場進行非定常流動計算,同時采用雙滑移網(wǎng)格方法來模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)動過程流場隨時間變化的規(guī)律.非定常計算采用的時間步長為0.0008s,因此根據(jù)轉(zhuǎn)速,可計算出完成一個周期的旋轉(zhuǎn)所需的時間步數(shù).根據(jù)C2翼型na-ca0103本文計算分析的風(fēng)力機參數(shù)為:外風(fēng)輪為3葉片H型風(fēng)輪,內(nèi)風(fēng)輪為S型風(fēng)輪,高度h=4m,直徑D=5m,葉片弦長0.34m,采用翼型NA-CA0018,功率為5kW,來流風(fēng)速為12m/s.2.1湍流度與雙向速度在一般計算中,通過風(fēng)力機流體的湍流度被假設(shè)為是沿著一個方向的由圖3可以看出,在風(fēng)速小于額定風(fēng)速v=12m/s時,單向湍流度和雙向湍流度的C2.2垂直軸風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)軸在一般對風(fēng)輪的研究中,可以不考慮旋轉(zhuǎn)軸的影響,但是對于升阻型風(fēng)輪,由于在S型風(fēng)輪中心位置有偏心距的存在,在該區(qū)域流動十分復(fù)雜,且對于風(fēng)輪的性能有很大影響,因此,在該位置有無旋轉(zhuǎn)軸,對風(fēng)輪的性能計算影響很大,圖5為在有無旋轉(zhuǎn)軸兩種情況下的性能曲線.由圖5可以看出,在不考慮旋轉(zhuǎn)軸的情況下,其計算結(jié)果將大于考慮旋轉(zhuǎn)軸的情況,這是因為對于升阻型風(fēng)力機,內(nèi)風(fēng)輪的作用主要是使風(fēng)力機能夠在低風(fēng)速下啟動,但在啟動后盡量不能產(chǎn)生阻力,所以對于內(nèi)風(fēng)輪都有一個偏心距,使兩個葉片錯開.這樣當風(fēng)推動葉片轉(zhuǎn)動時,流過間隙的一部分流體繼續(xù)推動另一個葉片轉(zhuǎn)動,從而抵消來流給它的阻力.如果不考慮旋轉(zhuǎn)軸,那么流過間隙的風(fēng)量較大,使風(fēng)輪更容易轉(zhuǎn)動,從而在相同風(fēng)速下產(chǎn)生較大的功率和扭矩.相反,如果有旋轉(zhuǎn)軸存在,那么流過間隙的風(fēng)量將減少,產(chǎn)生的功率也較小,而且由于旋轉(zhuǎn)軸也是轉(zhuǎn)動的,使間隙處的流動速度變化較大.由圖5a的M-n曲線還可以看出,在無旋轉(zhuǎn)軸的情況下有較大的啟動力矩,因此,旋轉(zhuǎn)軸的存在也將影響風(fēng)力機的啟動性能.如圖6所示為內(nèi)風(fēng)輪在轉(zhuǎn)速為180r/min時在有、無軸兩種情況下的速度分布.在圖6b中由于有軸的存在且是旋轉(zhuǎn)的,使旋轉(zhuǎn)軸附近產(chǎn)生較大的低速區(qū),這將引起內(nèi)風(fēng)輪所受的推力減小,整個風(fēng)輪產(chǎn)生較小的功率,這和上述分析相一致,因此,對于垂直軸風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)軸的選取有一定的要求,旋轉(zhuǎn)軸直徑既不能太小也不能太大,太小則達不到載荷的要求,太大則對風(fēng)輪的氣動特性產(chǎn)生負面影響.2.3滑移網(wǎng)格和雙滑移網(wǎng)格在進行流場計算時,要對流動區(qū)域進行設(shè)置,這就涉及到是否采用滑移網(wǎng)格問題,因此,本文基于對內(nèi)外風(fēng)輪之間區(qū)域的設(shè)置對滑移網(wǎng)格和雙滑移網(wǎng)格技術(shù)進行研究,其計算結(jié)果如圖7所示.從圖7可以看出,從C3不同旋轉(zhuǎn)軸時的流場1)單向湍流度對流場的影響小于雙向湍流度的影響,在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時,兩種情況下的計算值相差不是很大,當風(fēng)速大于額定風(fēng)速時,相差很大.且對于雙向湍流度,隨著湍流度的減小,風(fēng)輪尾流的速度越來越大2)對于升阻型風(fēng)力機,不考慮旋轉(zhuǎn)軸的情況下的扭矩、最大功率、最大功率系數(shù)大于考慮有旋轉(zhuǎn)軸的情況.因此,在不考慮旋轉(zhuǎn)軸的流場計算中,其計算值大于實際值,且無旋轉(zhuǎn)軸時計算的啟動力矩大于有旋轉(zhuǎn)軸的情形.而且垂直軸風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)軸直徑既不能太小也不能太大,太小則達不到載荷的要求,太大則對風(fēng)輪的氣動特性產(chǎn)生負面影響.3)將內(nèi)外風(fēng)輪之間的區(qū)域設(shè)置為雙滑移網(wǎng)格時,風(fēng)輪易先失速,在失速之前,流場主要為層流,其扭矩系數(shù)、扭矩、功率系數(shù)、功率均增加較快,而在失速之后減小速度較小,流場主要為