升阻型风力机风轮气动性能分析

升阻型风力机风轮气动性能分析

随着科学技术的发展和人类认识水平的提高，垂直轴风力机越来越受到重视。最常用的是垂直轴风力机，也称为darieus风力机。目前对于升阻型风力机的研究较少,一些学者主要是研究风轮的尺寸比,如最佳高度比和半径比等1计算值的值1.1k-模型的原理通过对不同湍流模型数值模拟的尝试和比较,本文采用k-ω的SST湍流模型.该模型具有良好的稳定性和收敛性k方程:ω方程:混合函数的表达式为同时,由于原始k-ω模型没有考虑湍流剪切应力的输运,Menter认为这会导致对于涡黏性的过分估计,因此提出应该使用以下公式对涡黏性进行限制:式中:F1.2几何流场的建立及网格划分建立如图1所示的几何模型,由于风力机的流场是一个外流场,因此,在风轮周围建立一个b等于10倍风轮直径、c等于20倍风轮直径、宽a等于20倍风轮直径的长方形流场区域.为了更加清楚的看出流场的变化情况,将该区域划分为7个区域,区域Z对建立好的模型进行网格划分,划分网格时对叶片周围的网格进行加密1.3速度入口边界条件由于环境来流速度和叶片的旋转切向速度较低,因此可近似认为空气为不可压流体.对于不可压流体,在已知来流速度时,可将边界a定义为速度入口边界条件;叶片表面定义为无滑移的绝热固壁边界条件;边界f、g、h定义为自由出流;区域Z1.4风轮转动过程流场模拟湍流模型采用了k-ωSST二阶模型.离散格式均采用二阶迎风离散格式,压力速度的耦合采用SIMPLEC算法.为使计算过程降低对内存的需求和具有较好的网格质量,流场采用分块耦合求解方法.本文对二维流场进行非定常流动计算,同时采用双滑移网格方法来模拟风轮转动过程流场随时间变化的规律.非定常计算采用的时间步长为0.0008s,因此根据转速,可计算出完成一个周期的旋转所需的时间步数.根据C2翼型na-ca0103本文计算分析的风力机参数为:外风轮为3叶片H型风轮,内风轮为S型风轮,高度h=4m,直径D=5m,叶片弦长0.34m,采用翼型NA-CA0018,功率为5kW,来流风速为12m/s.2.1湍流度与双向速度在一般计算中,通过风力机流体的湍流度被假设为是沿着一个方向的由图3可以看出,在风速小于额定风速v=12m/s时,单向湍流度和双向湍流度的C2.2垂直轴风力机的旋转轴在一般对风轮的研究中,可以不考虑旋转轴的影响,但是对于升阻型风轮,由于在S型风轮中心位置有偏心距的存在,在该区域流动十分复杂,且对于风轮的性能有很大影响,因此,在该位置有无旋转轴,对风轮的性能计算影响很大,图5为在有无旋转轴两种情况下的性能曲线.由图5可以看出,在不考虑旋转轴的情况下,其计算结果将大于考虑旋转轴的情况,这是因为对于升阻型风力机,内风轮的作用主要是使风力机能够在低风速下启动,但在启动后尽量不能产生阻力,所以对于内风轮都有一个偏心距,使两个叶片错开.这样当风推动叶片转动时,流过间隙的一部分流体继续推动另一个叶片转动,从而抵消来流给它的阻力.如果不考虑旋转轴,那么流过间隙的风量较大,使风轮更容易转动,从而在相同风速下产生较大的功率和扭矩.相反,如果有旋转轴存在,那么流过间隙的风量将减少,产生的功率也较小,而且由于旋转轴也是转动的,使间隙处的流动速度变化较大.由图5a的M-n曲线还可以看出,在无旋转轴的情况下有较大的启动力矩,因此,旋转轴的存在也将影响风力机的启动性能.如图6所示为内风轮在转速为180r/min时在有、无轴两种情况下的速度分布.在图6b中由于有轴的存在且是旋转的,使旋转轴附近产生较大的低速区,这将引起内风轮所受的推力减小,整个风轮产生较小的功率,这和上述分析相一致,因此,对于垂直轴风力机旋转轴的选取有一定的要求,旋转轴直径既不能太小也不能太大,太小则达不到载荷的要求,太大则对风轮的气动特性产生负面影响.2.3滑移网格和双滑移网格在进行流场计算时,要对流动区域进行设置,这就涉及到是否采用滑移网格问题,因此,本文基于对内外风轮之间区域的设置对滑移网格和双滑移网格技术进行研究,其计算结果如图7所示.从图7可以看出,从C3不同旋转轴时的流场1)单向湍流度对流场的影响小于双向湍流度的影响,在风速小于额定风速时,两种情况下的计算值相差不是很大,当风速大于额定风速时,相差很大.且对于双向湍流度,随着湍流度的减小,风轮尾流的速度越来越大2)对于升阻型风力机,不考虑旋转轴的情况下的扭矩、最大功率、最大功率系数大于考虑有旋转轴的情况.因此,在不考虑旋转轴的流场计算中,其计算值大于实际值,且无旋转轴时计算的启动力矩大于有旋转轴的情形.而且垂直轴风力机旋转轴直径既不能太小也不能太大,太小则达不到载荷的要求,太大则对风轮的气动特性产生负面影响.3)将内外风轮之间的区域设置为双滑移网格时,风轮易先失速,在失速之前,流场主要为层流,其扭矩系数、扭矩、功率系数、功率均增加较快,而在失速之后减小速度较小,流场主要为