H型垂直軸風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性研究

蘇萬清

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

H型垂直軸風(fēng)力機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)不依賴于相對(duì)風(fēng)向以及對(duì)湍流適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，得到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注[1-2]，在農(nóng)牧區(qū)、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)的中小型微并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益增多[3]。在風(fēng)電場(chǎng)中，上游風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速的分布影響下游風(fēng)力機(jī)的功率輸出，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)組的陣列分布和發(fā)電總量。因此，對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性研究具有重要意義。

針對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流特性，Tescione等[4-5]分別通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)兩葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的尾流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了尾流不對(duì)稱的現(xiàn)象，并且尾流速度在下游2倍風(fēng)機(jī)直徑內(nèi)有一個(gè)逐漸減小的過程。Hezaveh等[6]利用LES數(shù)值方法對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬，分析了在不同實(shí)度、高徑比和尖速比下尾流長(zhǎng)度和速度的變化趨勢(shì)，得出尖速比越大，速度損失越大但尾流恢復(fù)所需長(zhǎng)度越小的結(jié)論。蔡新等[7]對(duì)烏普薩拉大學(xué)研制的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究風(fēng)力機(jī)尾流特性，研究表明隨著尾流位置不斷遠(yuǎn)離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心，尾流風(fēng)速變化梯度逐漸平穩(wěn)。郭志平等[8]分別采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD方法研究了三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)風(fēng)速分布，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)輪內(nèi)部以及下游區(qū)域出現(xiàn)低速區(qū)。高強(qiáng)等[9]設(shè)計(jì)一種葉片交疊布置垂直軸風(fēng)力機(jī)，利用CFD方法分析其流場(chǎng)風(fēng)速分布，結(jié)果顯示風(fēng)輪尾流風(fēng)速下降明顯，并指出多風(fēng)機(jī)布置時(shí)應(yīng)避開低速區(qū)。

目前，針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)尾流風(fēng)速分布的研究較少，且均未給出較為明確的分布規(guī)律。本文利用非定常CFD方法對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析不同尖速比和葉片數(shù)下的遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性，并給出尾流風(fēng)速分布規(guī)律。

1 CFD數(shù)值模擬方法

由于H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的連接桿、塔架等對(duì)風(fēng)輪流場(chǎng)影響較小，所以將風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化為只含葉片的風(fēng)輪模型[10-11]。

1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置

計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖1所示。計(jì)算域分為靜域和動(dòng)域，動(dòng)域又分為旋轉(zhuǎn)域和控制域。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)以入口條件為初始化條件，邊界條件設(shè)置如下：風(fēng)輪上游計(jì)算域邊界為速度入口；風(fēng)輪下游計(jì)算域邊界為壓力出口；靜域與旋轉(zhuǎn)域結(jié)合面、旋轉(zhuǎn)域與控制域結(jié)合面均為交界面；葉片表面為固壁無滑移壁面；二維模型中，上下邊界為對(duì)稱面，三維模型中，上下、前后邊界為對(duì)稱面，二維計(jì)算域與三維俯視圖所示相同。其中，D為風(fēng)輪直徑，m;H為葉片長(zhǎng)度，m;R為風(fēng)輪半徑，m;c為弦長(zhǎng),m。

a 俯視圖

b 主視圖圖1 計(jì)算域與邊界條件設(shè)置示意圖Fig 1 Plan views of the computational domain and boundary conditions

采用CFD前處理軟件GAMBIT對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用尺寸函數(shù)、葉片表面采用邊界層的方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)文獻(xiàn)[12]中翼型為NACA0021的3葉片風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒍S和三維數(shù)值模型，利用FLUENT軟件計(jì)算不同尖速比下的平均功率系數(shù)并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如圖2所示。其中直徑0.8 m，弦長(zhǎng)0.2 m，葉片長(zhǎng)度0.8 m，風(fēng)速8 m/s，尖速比λ=0.9、1、1.1、1.2、1.4。

由圖2可知，由于二維數(shù)值模型忽略了連接桿、塔架和沿葉片展向引起的能量損失，在不同葉尖速比下平均功率系數(shù)模擬值較實(shí)驗(yàn)值偏高，但其變化趨勢(shì)吻合；三維數(shù)值模型僅忽略了連接桿和塔架的影響，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值略有誤差，但在合理范圍內(nèi)。因此，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的可行性。

2 遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性分析

H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的每一處截面都是相同的，從而每一個(gè)截面上的風(fēng)速基本相同。忽略葉尖渦的能量損失，同時(shí)考慮節(jié)約計(jì)算資源，將三維風(fēng)輪模型簡(jiǎn)化為二維風(fēng)輪模型[13]。

圖2 平均功率系數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖Fig 2 Comparison of average power coefficients between the experiment and simulation

2.1 不同尖速比下遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性分析

以垂直軸風(fēng)力機(jī)二維模型為研究對(duì)象，其基本參數(shù)如表1所示。采用CFD方法研究來流風(fēng)速7 m/s，尖速比分別為1.1、1.2、1.3和1.4時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)尾流風(fēng)速大小及分布情況，并通過不同尖速比下的尾流速度云圖和不同尾流位置處的風(fēng)速分布曲線對(duì)尾流特性進(jìn)行分析。

表1 H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of H-type vertical axis wind turbine

不同尖速比下尾流速度云圖如圖3所示。由圖3可知，在旋轉(zhuǎn)過程中不斷有氣流繞過風(fēng)輪，導(dǎo)致其兩側(cè)產(chǎn)生風(fēng)速增大現(xiàn)象，其中風(fēng)輪下側(cè)附近風(fēng)速增加最大，這是由于下側(cè)葉片處于順風(fēng)區(qū)引起的。伴隨著風(fēng)能的捕獲，在距風(fēng)輪較近的下游出現(xiàn)狹長(zhǎng)的低風(fēng)速區(qū)，隨著距離的增加風(fēng)速逐漸恢復(fù)。從λ=1.1到λ=1.3，低風(fēng)速區(qū)長(zhǎng)度逐漸增加，3個(gè)工況下尾流影響區(qū)域均呈線性擴(kuò)散，一直延伸到計(jì)算域邊緣。當(dāng)λ=1.4時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，穿過風(fēng)輪的氣流大幅減少，風(fēng)速進(jìn)一步降低，尾流低速區(qū)的長(zhǎng)度、寬度都有明顯增加；超過低速區(qū)之后的尾流出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象，形成周期性脫落、排列規(guī)則的雙線旋渦，此現(xiàn)象說明了隨著尖速比的增加，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的空氣流動(dòng)越來越接近于圓柱繞流。

a λ=1.1

b λ=1.2

c λ=1.3

d λ=1.4 圖3 不同尖速比下尾流速度云圖Fig 3 Cloud chart of wake velocity whit different tip speed ratio

將不同尾流位置處的風(fēng)速值U除以來流風(fēng)速U0之后得到相對(duì)速度分布曲線對(duì)比圖如圖4所示。對(duì)比分析4個(gè)尖速比下尾流位置x在3D、5D、7D、10D及12D處的相對(duì)速度分布。當(dāng)x=3D時(shí)，隨著尖速比的增加尾流兩側(cè)的相對(duì)風(fēng)速逐漸增大，而低速區(qū)域的相對(duì)風(fēng)速最小值逐漸減小。當(dāng)x=5D時(shí)，變化規(guī)律基本與x=3D時(shí)相同，不同的是隨著尾流的擴(kuò)散，影響區(qū)域逐漸變寬。當(dāng)x=7D時(shí)，尾流兩側(cè)的風(fēng)速不再隨著尖速比增大而增大，各尖速比下基本相同；尾流風(fēng)速均有不同程度恢復(fù)，λ=1.1和λ=1.2時(shí)風(fēng)速分布基本一致，尾流中心風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速的35%左右，λ=1.3時(shí)尾流中心風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速的30%左右，而λ=1.4時(shí)尾流中心風(fēng)速恢復(fù)到來流風(fēng)速的40%左右，明顯超過其他3種工況。當(dāng)x=10D時(shí)，尾流影響區(qū)域增大，尾流中心速度進(jìn)一步恢復(fù)；尖速比從1.1～1.3風(fēng)速分布曲線完全相同，以中心線對(duì)稱分布；λ=1.4時(shí)，尾流中心速度已恢復(fù)到來流風(fēng)速的80%左右，但中心位置不再與中心線對(duì)齊，這是由卡門渦街現(xiàn)象引起的。當(dāng)x=12D，λ=1.4時(shí)，風(fēng)速中心位置發(fā)展到中心線另一側(cè)。

a x=3D

b x=5D

c x=7D

d x=10D

e x=12D圖4 各尖速比下不同尾流位置處相對(duì)風(fēng)速分布曲線Fig 4 Distribution curve of relative wind speed with different wake positions sunder different tip speed ratios

從以上分析可知，繞流和旋轉(zhuǎn)對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪兩側(cè)的尾流風(fēng)速具有增大作用；隨著尖速比的增加，尾流低速區(qū)域變長(zhǎng)、變寬，尾流影響區(qū)域呈線性增加，且當(dāng)尖速比λ=1.4時(shí)，尾流出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象；由于風(fēng)輪上下兩側(cè)氣流不斷流入尾流中，所以隨著尾流位置不斷遠(yuǎn)離風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心，尾流中心風(fēng)速逐漸恢復(fù)。

2.2 不同葉片數(shù)下遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性分析

實(shí)度是指葉片展開曲面面積與掃掠面積之比，是影響H型垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一[14-15]，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：ξ為實(shí)度；B為葉片數(shù)；c為弦長(zhǎng)，m；H為葉片長(zhǎng)度，m；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，m2。

實(shí)度不同風(fēng)力機(jī)性能不同，從而尾流風(fēng)速分布也不相同。由公式(1)可知，當(dāng)葉片翼型弦長(zhǎng)和風(fēng)力機(jī)半徑確定后，實(shí)度只與葉片數(shù)有關(guān)，因此本節(jié)研究葉片數(shù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)尾流特性的影響。針對(duì)表1所示風(fēng)輪模型，除葉片數(shù)外其他參數(shù)保持不變，分別建立葉片數(shù)為3、4、5的CFD計(jì)算模型，研究來流風(fēng)速7 m/s、尖速比λ=1.4工況下的尾流特性,尾流速度云圖和風(fēng)速分布曲線如圖5和圖6所示。

a 3葉片

b 4葉片

c 5葉片圖5 不同葉片數(shù)下尾流速度云圖Fig 5 Cloud chart of wake velocity with different number of blades

a x=3D

b x=5D

c x=7D

d x=10D

e x=5D圖6 不同葉片數(shù)下不同尾流位置處相對(duì)風(fēng)速分布曲線Fig 6 Distribution curve of relative wind speed with different wake positions under different number of blades

由圖5可知，當(dāng)葉片數(shù)為3時(shí)，由于葉片數(shù)較少，相同旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)葉片切割流線次數(shù)相對(duì)較少，來流穿過風(fēng)輪的風(fēng)量較多，所以沒有出現(xiàn)明顯的低速區(qū)；當(dāng)葉片數(shù)為4時(shí)，出現(xiàn)小范圍的低速區(qū)，尾流影響區(qū)域增大；當(dāng)葉片數(shù)為5時(shí)，尾流低速區(qū)內(nèi)風(fēng)速下降明顯，影響區(qū)域變長(zhǎng)、變寬，但尾流兩側(cè)風(fēng)速增加明顯，穿過低速區(qū)后出現(xiàn)周期性脫落的兩排旋渦，即卡門渦街現(xiàn)象。

圖6顯示了不同葉片數(shù)下不同位置處相對(duì)風(fēng)速分布曲線。當(dāng)x=3D時(shí)，隨著葉片數(shù)的增加，尾流兩側(cè)風(fēng)速逐漸增加，尾流低速區(qū)風(fēng)速下降程度大，影響區(qū)域較寬；當(dāng)x=5D時(shí)，葉片數(shù)為4時(shí)尾流風(fēng)速已恢復(fù)到葉片數(shù)為3時(shí)的狀態(tài)，但葉片數(shù)為5的風(fēng)輪尾流還處在低速區(qū)，未有明顯變化；當(dāng)x=7D時(shí)，3個(gè)風(fēng)輪尾流風(fēng)速均有恢復(fù)，葉片數(shù)為4時(shí)已超過葉片數(shù)為3的情況，葉片數(shù)為5的風(fēng)輪尾流也脫離低速區(qū)；由圖6d、圖6e可知，3個(gè)風(fēng)輪尾流兩側(cè)風(fēng)速已基本一致，尾流風(fēng)速進(jìn)一步恢復(fù)，5葉片風(fēng)輪尾流中心位置出現(xiàn)周期性波動(dòng)。

總的來說，當(dāng)尖速比一定時(shí)隨著葉片數(shù)的增加，實(shí)度增加，尾流低速區(qū)逐漸明顯，風(fēng)速逐漸降低；但伴隨著低速區(qū)的出現(xiàn)，繞流風(fēng)量增加，從而低速區(qū)尾流兩側(cè)的風(fēng)速明顯增加，繞流的風(fēng)量匯入低速尾流有助于尾流風(fēng)速的恢復(fù)；當(dāng)葉片數(shù)增加至5時(shí)，尾流出現(xiàn)較長(zhǎng)、較寬的低速尾流區(qū)，低速區(qū)過后出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象。

3 結(jié)論

繞流和旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)輪尾流兩側(cè)風(fēng)速具有增大作用，增大的風(fēng)速不斷地匯入尾流，有助于尾流風(fēng)速恢復(fù)；隨著尖速比增大或葉片數(shù)增多，葉片切割流線的次數(shù)增多，能量捕獲增多，導(dǎo)致尾流低速區(qū)變長(zhǎng)、變寬。當(dāng)尖速比或葉片數(shù)增加到一定數(shù)值時(shí)，尾流出現(xiàn)卡門渦街現(xiàn)象，尾流速度不再呈線性擴(kuò)散和對(duì)稱分布，而是周期性上下波動(dòng)，從而使尾流湍流強(qiáng)度增大，影響下游風(fēng)力機(jī)的能量捕獲；同時(shí)引起振動(dòng)，若振動(dòng)頻率與風(fēng)力機(jī)的固有頻率相同或接近，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，在風(fēng)力機(jī)組排布中應(yīng)根據(jù)不同的風(fēng)力機(jī)及其運(yùn)行狀態(tài)，采取不同的布置方案。