風(fēng)向?qū)ㄖ鰪娦痛怪陛S風(fēng)力機氣動性能的影響

朱海天， 郝文星， 李 春， 丁勤衛(wèi)， 余 萬

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 上海 200093)

目前，環(huán)境污染與能源緊缺問題日益嚴(yán)峻，風(fēng)能是一種安全且無污染的可再生能源[1]，其開發(fā)利用受到世界各國的廣泛關(guān)注。隨著風(fēng)能利用技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電迅速發(fā)展成為世界電能產(chǎn)業(yè)愈發(fā)重要的組成部分[2-3]。風(fēng)力機是一種將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能的旋轉(zhuǎn)機械。目前，風(fēng)力機組主要安裝于遠離城市負(fù)荷中心的風(fēng)資源集中區(qū)域，由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)接納能力、跨區(qū)輸電能力以及應(yīng)對風(fēng)速隨機性和間歇性能力的不足，棄電限電現(xiàn)象較為嚴(yán)重[4]。2014年，中國平均風(fēng)電棄風(fēng)率約為8%，2015年則高達18.6%[5]。

為減緩棄電限電現(xiàn)象的發(fā)生，Keirstead等[6]指出，近年來各種與建筑物結(jié)合的部分風(fēng)力機被應(yīng)用于城市中，包括適用于多場合的微型風(fēng)力機、安裝于樓頂?shù)娘L(fēng)力機以及垂直軸阻力型風(fēng)力機等，這種風(fēng)能利用形式避免了輸、送電能問題，產(chǎn)生的電能可直接用于建筑本身，為解決城市能源緊缺問題和棄電限電問題提供了技術(shù)支持。因此，充分利用建筑環(huán)境中的風(fēng)能為風(fēng)電發(fā)展提供了一種新思路。較之郊區(qū)和偏遠地區(qū)，城市來流風(fēng)具有平均風(fēng)速低和湍流度大等特點，由于建筑物的影響，也存在局部大風(fēng)區(qū)域[7]。

風(fēng)力機與建筑物結(jié)合的形式基本可分為3類：安裝于建筑頂部的風(fēng)力機、安裝于建筑物中央的風(fēng)力機及建筑增強型風(fēng)力機(BAWT)[8]。1930年， Honnef首先提出了建筑增強型風(fēng)力機概念設(shè)計。建筑增強型風(fēng)力機將風(fēng)力機與建筑相結(jié)合，利用建筑對風(fēng)能的強化和集結(jié)作用，從而提高發(fā)電效率[9]。2008年底，巴林世界貿(mào)易中心完工[10]，在雙子塔建筑之間加裝了3個直徑為29 m的建筑增強型水平軸風(fēng)力機，這是世界上第一座大型結(jié)合風(fēng)力渦輪的建筑。Li等[11]對珠江大廈空洞中安裝垂直軸風(fēng)力機(VAWT)的效益進行實驗評估，結(jié)果表明喇叭口型洞口將增強風(fēng)速，受風(fēng)向和周圍建筑物的影響較為明顯。Heo等[12]對建筑增強型水平軸風(fēng)力機進行了數(shù)值計算，結(jié)果表明建筑擴散體可大幅提升發(fā)電效率，但該種BAWT受風(fēng)多向性差，當(dāng)偏航角小于30°時才具有較高的電能輸出。

上述研究一部分利用大氣邊界層風(fēng)剪切效應(yīng)，充分利用高層建筑的高度優(yōu)勢捕獲更多的風(fēng)能，另一部分利用建筑周圍的局部大風(fēng)。其中風(fēng)剪切是指風(fēng)速隨高度變化[13]，主要受地面粗糙度和科利奧效應(yīng)影響。筆者提出一種風(fēng)力機新型安裝方式與安裝位置，將VAWT懸掛固定于建筑擴散體間的懸臂梁下端，利用上述2種優(yōu)勢對建筑環(huán)境中VAWT進行研究。

直線翼垂直軸風(fēng)力機(SB-VAWT)是最具代表性[14]的垂直軸風(fēng)力機之一。SB-VAWT在旋轉(zhuǎn)時具有極復(fù)雜的氣動特征[15-16]：一方面，攻角周期性大幅變化導(dǎo)致SB-VAWT氣動載荷波動較大且直葉片周圍流場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜；另一方面，單制動槳盤假設(shè)已不適用于SB-VAWT，應(yīng)采用雙制動槳盤假設(shè)，因此下游尾跡區(qū)易受到上風(fēng)區(qū)脫落渦軌跡的影響，而且葉片尾跡、主軸尾跡與及葉片支撐桿尾跡之間也發(fā)生相互作用，從而加劇流動的復(fù)雜性。因此，研究建筑擴散體間SB-VAWT的氣動性能十分必要。

筆者采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對原始SB-VAWT進行數(shù)值研究，并與實驗值進行對比，驗證了該網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及Realizablek-ε湍流模型的適用性。以上海風(fēng)資源特點作為研究條件，研究風(fēng)向?qū)ㄖ鰪娦椭本€翼垂直軸風(fēng)力機(BASB-VAWT)性能與流場結(jié)構(gòu)的影響，得到其氣動特性，以期為不同城市中采用BASB-VAWT提供依據(jù)。

1 氣動理論

1.1 建筑環(huán)境中風(fēng)能利用特點

圓形截面建筑擴散體周圍風(fēng)場CFD模擬結(jié)果如圖1所示。由于“夾道效應(yīng)”，2座建筑物間的風(fēng)速增大，形成局部強化風(fēng)[13]。

圖1 圓柱體建筑物之間的夾道效應(yīng)

1.2 風(fēng)剪切

風(fēng)剪切效應(yīng)是指風(fēng)速隨海拔高度增加而增大，要利用高層建筑的高度優(yōu)勢就必須考慮城市中的風(fēng)剪切效應(yīng)，筆者采用以下指數(shù)模型：

V/V0=(H/H0)β

(1)

式中：H為地面高度；H0為地面參考高度；V為H處的風(fēng)速；V0為H0處某參考點的風(fēng)速；β為切變系數(shù)，該系數(shù)與大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度有關(guān)，其值如表1所示[17]。

表1 中國地面粗糙度類別與對應(yīng)的β值

采用地面粗糙度類別為D的經(jīng)驗指數(shù)模型來描述上海市市區(qū)平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律。上海市年平均風(fēng)速為3.65 m/s，根據(jù)風(fēng)剪切效應(yīng)可知，200 m高空處的城市來流風(fēng)速為9 m/s。

1.3 主要氣動參數(shù)

在SB-VAWT中赤道平面攻角α隨相位角的周期性變化關(guān)系如下：

(2)

式中：θ為相位角；λ為葉尖速比。

葉尖速比定義為葉尖切向速度與來流風(fēng)速的比值：

(3)

式中：ω為角速度；V∞為來流風(fēng)速；R為旋轉(zhuǎn)半徑。

力矩系數(shù)Cm與風(fēng)能利用系數(shù)Cp均是衡量VAWT性能的重要指標(biāo)。

(4)

式中：T為轉(zhuǎn)矩；P為風(fēng)力機功率；ρ為空氣密度；A為掃風(fēng)面積。

實度σ作為描述SB-VAWT幾何形狀的重要無因次參數(shù)，其表達式[1]如下：

σ=Nc/(2R)

(5)

式中：N為葉片數(shù)；c為翼型弦長。

2 計算模型

2.1 幾何模型

采用對低雷諾數(shù)工況有較高風(fēng)能利用系數(shù)的NACA0021對稱翼型[18]，其弦長c為85.8 mm，最大厚度為0.21c，最大厚度位置在0.3c處，翼型幾何模型見圖2。

圖2 翼型幾何模型

為與實驗值進行比較，采用的幾何模型參數(shù)均與文獻[19]相同。SB-VAWT幾何參數(shù)見表2。

巴林世界貿(mào)易中心的建筑增強型水平軸風(fēng)力機實圖與本文BASB-VAWT幾何模型的對比如圖3所示。其中建筑增強型水平軸風(fēng)力機放置于懸臂梁前端，而BASB-VAWT垂直懸掛于懸臂梁下端。

2.2 計算域結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布

SB-VAWT與翼型周圍計算域結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布如圖4所示。SB-VAWT遠場計算域結(jié)構(gòu)由半圓形上游區(qū)與矩形下游尾跡區(qū)組成，如圖4(a)中上游區(qū)特征長度為50R，下游尾跡區(qū)特征長度為30R。SB-VAWT近場計算域結(jié)構(gòu)由Z1和Z22個網(wǎng)格域構(gòu)成，Z1為靜止結(jié)構(gòu)網(wǎng)格域，Z2為滑移非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格域。翼型周圍計算域結(jié)構(gòu)也由半圓形上游區(qū)與矩形下游尾跡區(qū)組成，如圖4(b)與圖4(c)所示。上游區(qū)特征長度為0.5R，下游尾跡區(qū)特征長度為0.3R，翼型周圍網(wǎng)格域共分為6個域,如圖4(d)所示。域1和域6分別為翼型前緣域和翼型后緣域。定義SB-VAWT計算域中的半圓和矩形上下邊界ad與bc速度入口邊界條件，來流風(fēng)速為9 m/s，矩形右邊界cd為壓力出口條件。

表2 SB-VAWT幾何參數(shù)

(a) 巴林世界貿(mào)易中心

(b) BASB-VAWT實體圖

(c) BASB-VAWT側(cè)視圖

(d) BASB-VAWT俯視圖

(a) 遠場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖(b) 二維簡化圖

(c) 遠場計算域網(wǎng)格分布(d) 翼型周圍計算域結(jié)構(gòu)

(e) 近場計算域網(wǎng)格分布(f) 翼型周圍網(wǎng)格分布

圖4 計算域結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布

Fig.4 Calculation region and mesh distribution of the airfoil

SB-VAWT遠場計算域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分布如圖4(c)所示，Z1和Z2近場計算域混合網(wǎng)格分布如圖4(e)所示。翼型表面布置250個網(wǎng)格節(jié)點，并對翼型周圍進行加密處理，由翼型表面到遠場邊界方向布置70個節(jié)點，如圖4(f)所示?？偩W(wǎng)格數(shù)為421 092。

采用Realizablek-ε湍流模型，在模擬旋轉(zhuǎn)流動方面該湍流模型優(yōu)于Standardk-ε湍流模型，也能較精確地捕捉到流動分離點[20]。y+值接近30～100才能使壁面函數(shù)較好地捕捉到邊界層的流動[21]。故本文網(wǎng)格模型選取的y+在30～50內(nèi)。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

BASB-VAWT網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果見表3。以大網(wǎng)格數(shù)約66萬計算結(jié)果為基準(zhǔn)，結(jié)果表明：在約42萬總網(wǎng)格數(shù)時的計算值與約66萬總網(wǎng)格數(shù)時的計算值偏差較小，故本網(wǎng)格模型是可信的。因此，選取約為42萬網(wǎng)格數(shù)的模型作為最終計算模型。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

2.4 實驗驗證

原始SB-VAWT二維風(fēng)能利用系數(shù)Cp計算值與實驗值[19]的對比如圖5所示。由圖5可知，在低葉尖速比時，風(fēng)能利用系數(shù)計算值與實驗值的差值略大，其主要原因有：(1) 文獻[19]中的實驗值未考慮風(fēng)洞阻塞效應(yīng)且未排除轉(zhuǎn)軸與力矩傳感器間的摩擦阻力力矩；(2) 筆者僅考慮二維SB-VAWT，即設(shè)為無限長葉片，然而Li等[22]指出，二維SB-VAWT計算值相比三維SB-VAWT計算值與實驗值具有較大差值，這是由于二維SB-VAWT葉片未考慮沿展向葉素表面壓差逐漸降低的因素；(3) 二維SB-VAWT未考慮葉片支撐桿對SB-VAWT的影響。

圖5 二維風(fēng)能利用系數(shù)計算值與實驗值的對比圖

結(jié)合上述3種降低風(fēng)能利用系數(shù)的實際因素，故本文二維CFD計算值與實驗值存在誤差，但本文CFD計算值仍可捕捉到最大風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的最佳葉尖速比，其值為2.62。因此，二維CFD計算值仍可定性且定量地反映風(fēng)向?qū)Σ煌珺ASB-VAWT的影響。

2.5 風(fēng)玫瑰圖

以上海市近3年天氣報告作為風(fēng)向研究條件，如圖6所示共8個風(fēng)向，包括北風(fēng)(N)、東北風(fēng)(NE)、東風(fēng)(E)、東南風(fēng)(SE)、南風(fēng)(S)、西南風(fēng)(SW)、西風(fēng)(W)及西北風(fēng)(NW)。其中，縱軸代表出現(xiàn)此風(fēng)向的頻率。

(a) 2014年

(b) 2015年

(c) 2016年

由圖6可知，上海市東南風(fēng)、東風(fēng)及東北風(fēng)工況頻數(shù)較多，近3年平均風(fēng)速為3.65 m/s。

2.6 建筑擴散體型

將建筑擴散體截面分為4種：正圓形、橢圓形、矩形及菱形。幾何模型如圖7所示，由于4種建筑擴散體均為中心點對稱模型，故僅需研究3種不同風(fēng)向下的工況：與建筑擴散體對稱軸平行的風(fēng)向、與建筑擴散體對稱軸之間角度呈45°的風(fēng)向以及與建筑擴散體對稱軸垂直的風(fēng)向，因而工作量大大降低。因需要引入氣象資料，故將這3種風(fēng)向分別稱為西風(fēng)、西北風(fēng)及北風(fēng)，如圖7所示的方向位置。

正圓形擴散體SB-VAWT周圍局部流場網(wǎng)格分布如圖8所示。其他BASB-VAWT的周圍流場網(wǎng)格分布不再贅述。

(a) 正圓形擴散體(b) 橢圓形擴散體

(c) 矩形擴散體(d) 菱形擴散體

圖7 4種建筑擴散體

Fig.7 Four models of the building diffuser

圖8 正圓形擴散體BASB-VAWT網(wǎng)格分布局部放大圖

3 結(jié)果與分析

3.1 BASB-VAWT周圍流場分析

圖9和圖10為各風(fēng)向下建筑擴散體的壓力云圖、流線圖和BASB-VAWT速度云圖，其中來流風(fēng)速為9 m/s。

由圖9可知，建筑前后壓差造成局部大風(fēng)區(qū)域，建筑外廓使一部分流體集聚于兩建筑之間。在西北風(fēng)工況下，矩形擴散體間建筑產(chǎn)生的大流動分離發(fā)展至大部分流道中，而其他截面擴散體間建筑產(chǎn)生的渦流并沒有大幅發(fā)展至流道中。在北風(fēng)工況下，流場結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，建筑背風(fēng)面存在大分離渦。

根據(jù)最佳捕獲風(fēng)能的位置安裝BASB-VAWT。在西風(fēng)工況下，建筑擴散體間的風(fēng)速明顯大于入口風(fēng)速，風(fēng)力機可捕獲更多的風(fēng)能。在西北風(fēng)工況下，由于建筑擴散體產(chǎn)生的流動分離部分發(fā)展至風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，對風(fēng)力機產(chǎn)生一定影響。在北風(fēng)工況下，由于建筑擴散體間的風(fēng)速較低，且建筑背風(fēng)面存在大分離渦，風(fēng)力機將承受更劇烈的載荷波動。

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

3.2 BASB-VAWT氣動性能分析

考慮BASB-VAWT在不同建筑擴散體下不同風(fēng)向工況時的性能，對西風(fēng)、西北風(fēng)及北風(fēng)工況時BASB-VAWT一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的周圍流場進行數(shù)值模擬，其λ為2.62。BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)計算結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，在西風(fēng)工況下，正圓形BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)較高，其值為0.783 30，風(fēng)能利用系數(shù)提升至原始SB-VAWT的2.47倍；橢圓形BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)較低，為0.678 73；在西北風(fēng)工況下，正圓形BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)較高，其值為0.389 20；菱形BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)較低，為0.286 96；在北風(fēng)工況下，由于建筑擴散體之間風(fēng)速過低，風(fēng)力機效率極低。

為進一步得到風(fēng)向?qū)ASB-VAWT年風(fēng)能利用系數(shù)的影響，結(jié)合上海市近3年風(fēng)玫瑰圖，通過加權(quán)平均得出BASB-VAWT年風(fēng)能利用系數(shù)，如圖12所示。其中，在北風(fēng)工況下，4種BASB-VAWT年風(fēng)能利用系數(shù)均較低，且葉片周圍流場極為復(fù)雜，故年風(fēng)能利用系數(shù)并未考慮北風(fēng)工況。同理，在西北風(fēng)工況下，矩形擴散體自身的強渦流直接影響風(fēng)力機的葉片，故在研究年風(fēng)能利用系數(shù)中并未考慮此工況。

由圖12可知，在上海市市區(qū)，正圓形BASB-VAWT具有較高的年風(fēng)能利用系數(shù)，近3年其均值為0.385 92；而矩形BASB-VAWT年風(fēng)能利用系數(shù)較低，近3年其均值為0.140 48。

為進一步研究BASB-VAWT在西風(fēng)及西北風(fēng)工況下的載荷波動，對4種BASB-VAWT進行了對比分析，由于北風(fēng)工況下的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故對其力矩系數(shù)進行研究無意義。BASB-VAWT力矩系數(shù)與相位角θ的關(guān)系見圖13。

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

西風(fēng)西北風(fēng)

北風(fēng)

圖11 BASB-VAWT風(fēng)能利用系數(shù)

由圖13可知，在西風(fēng)工況下，BASB-VAWT將承受比原始SB-VAWT更大幅的載荷波動。在西北風(fēng)工況下，矩形BASB-VAWT的載荷波動較原始SB-VAWT與其他擴散體BASB-VAWT的載荷波動更為劇烈，正圓形、橢圓形BASB-VAWT與原始SB-VAWT曲線相近。而菱形BASB-VAWT的性能較差，這是由于在菱形擴散體間形成局部大風(fēng)區(qū)域較為滯后。

圖12 BASB-VAWT年風(fēng)能利用系數(shù)

4 結(jié) 論

(1) BASB-VAWT氣動性能對風(fēng)向敏感，在西風(fēng)工況下，其性能大幅提升；在西北風(fēng)工況下，性能稍高于原始SB-VAWT；在北風(fēng)工況下，流場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且建筑產(chǎn)生的脫落渦發(fā)展至風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)半徑內(nèi)，其性能遠低于原始SB-VAWT。

(a) 西風(fēng)工況下

(b) 西北風(fēng)工況下

(2) BASB-VAWT氣動性能對建筑擴散體排布及建筑平面外廓敏感，較之橢圓形和正圓形建筑，矩形建筑的風(fēng)力機性能較劣，而正圓形建筑優(yōu)于長半軸平行于風(fēng)向的橢圓形建筑。

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