【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 形式，又可表示為： (216)上式中被稱(chēng)作雷諾應(yīng)力，即： (217)在RANS的發(fā)展歷程中，學(xué)者們提出了各種各樣的湍流模型。在現(xiàn)階段葉片光滑表面氣流流動(dòng)特性數(shù)值仿真研究中通常應(yīng)用NS方程耦合雙方程湍流模型對(duì)湍流現(xiàn)象進(jìn)行模擬[40]。其中，本文使用的SST κω湍流模型在繼承傳統(tǒng)κω模型基礎(chǔ)上，還考慮了主要湍流流動(dòng)的剪切應(yīng)力效應(yīng)，并且避免計(jì)算復(fù)雜的非線性衰減函數(shù)，更適宜低雷諾數(shù)情況下的近壁處理問(wèn)題，可較為精確的模擬計(jì)算物體的邊界層流動(dòng)情況[41]。在該模型中，定義動(dòng)態(tài)渦粘系數(shù)如下： (218)湍流動(dòng)能κ為： (219)特定湍流耗散率ω為： (220) 其中：Ω為渦量，ν為運(yùn)動(dòng)粘度基本κω模型Φ變形后的κε模型Φ2分別乘以函數(shù)F1和(1F1)，推導(dǎo)得SST kω湍流模型Φ3= F1Φ1+(1F1)Φ2，第一組即κω模型Φ1中各參數(shù)設(shè)定α1=，σk1=，σω1=，β1=，β*=；第二組即變形后的κε模型Φ2中各參數(shù)設(shè)定α1=，σk2=，σω2=，β2=，β*=。F1為混合函數(shù)，作用是完成模型中近壁面κω湍流模型到遠(yuǎn)壁面的κε湍流模型的過(guò)渡，y為距壁面的距離，CDkω和Pk為選擇器，可以防止湍流動(dòng)能的錯(cuò)誤計(jì)算。(LES)大渦模擬僅有幾十年的發(fā)展歷史，它是區(qū)別于DNS與RANS的一個(gè)流體力學(xué)中重要的數(shù)值模擬方法。通過(guò)設(shè)定一個(gè)尺度，求解該尺度以上所有尺度的湍流運(yùn)動(dòng)，因此能夠克服DNS需要計(jì)算全部尺寸湍流的巨大計(jì)算量問(wèn)題，還能夠計(jì)算出RANS無(wú)法求解的許多瞬態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的大尺度效應(yīng)和擬序結(jié)構(gòu)。因此被認(rèn)為是最具有潛力的未來(lái)數(shù)值模擬發(fā)展方向。因?yàn)橛?jì)算量依然很大，目前在工程上無(wú)法廣泛應(yīng)用大渦模擬，但是為許多流動(dòng)機(jī)理問(wèn)題的研究提供了更為可靠的方法，可以為流動(dòng)控制提供理論基礎(chǔ)，并可為工程上廣泛應(yīng)用的雷諾平均(RANS)方法改進(jìn)提供指導(dǎo)[42]。 移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)于正常工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)，為了能準(zhǔn)確模擬出風(fēng)力機(jī)外流場(chǎng)的瞬態(tài)變化特性。在風(fēng)力機(jī)流體數(shù)值模擬中，一般將整個(gè)流場(chǎng)分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域即為包括風(fēng)力機(jī)在內(nèi)的中心流場(chǎng)，靜止區(qū)域即外圍流場(chǎng)，之間的交界面用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理。(1) 移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)簡(jiǎn)介在運(yùn)用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值模擬中，通常計(jì)算域是由兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立域構(gòu)成。每?jī)蓚€(gè)相鄰的獨(dú)立域銜接處的界面都為滑移界面，滑移界面連接兩個(gè)與之相鄰的網(wǎng)格區(qū)域。在計(jì)算時(shí)，設(shè)定的步數(shù)內(nèi)，兩個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格沿著滑移邊界相對(duì)運(yùn)動(dòng)[43]。網(wǎng)格的滑移邊界形狀樣式很多。在直線運(yùn)動(dòng)中，移動(dòng)網(wǎng)格的滑移邊界通常為一個(gè)平面。本文中風(fēng)力機(jī)是轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以在模型中移動(dòng)邊界為圓柱形狀。(2) 移動(dòng)網(wǎng)格控制方程移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的通用控制方程可以寫(xiě)成如下形式： (221)式中：為流體密度 為移動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度 擴(kuò)散系數(shù) 緣項(xiàng) 邊界上的控制體積對(duì)上式中的時(shí)間項(xiàng)采用一階向后差分方法可寫(xiě)成 (222)式中，上標(biāo)n表示當(dāng)前時(shí)刻，n+1表示下一時(shí)刻，n+1時(shí)刻的體積可由下式表示： (223)式中：為通過(guò)控制體的體積流量，根據(jù)網(wǎng)格守恒定律，又可表示為如下： (224)式中，nf為控制體上第n個(gè)面，為第i個(gè)面上的面積分量。上式中，可以表示為下式： (225)表示在時(shí)間內(nèi)通過(guò)面i的流量。由上式可知，計(jì)算通過(guò)滑移邊界的流量為移動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)所在。 本章小結(jié)本章主要介紹了垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)原理與CFD技術(shù)的基本知識(shí)，通過(guò)對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特征、湍流模型與移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)等理論的探討，為H型垂直軸風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)及尾流的數(shù)值模擬計(jì)算提供了理論支撐。第三章 垂直軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)性能分析第三章 垂直軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)性能分析垂直軸風(fēng)力機(jī)分為阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)。阻力型風(fēng)機(jī)通常啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但相對(duì)于升力型風(fēng)機(jī)其風(fēng)能利用系數(shù)較低，很少被用于發(fā)電。作為升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的代表，在風(fēng)力發(fā)電國(guó)家具有一定市場(chǎng)，是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手[44]。但Darrieus風(fēng)力機(jī)因靜止轉(zhuǎn)矩為零，因此不能自行啟動(dòng)，需要靠外力將風(fēng)力機(jī)提升到一定轉(zhuǎn)速后，或在較高的風(fēng)速下才能啟動(dòng)[45]。為改善Darrieus風(fēng)力機(jī)的性能，降低成本，近年來(lái)具有直線型葉片的Darrieus風(fēng)力機(jī)，即H型風(fēng)力機(jī)越來(lái)越受到國(guó)際風(fēng)能領(lǐng)域的關(guān)注，并且歐美、加拿大和日本等國(guó)都在積極研究和推廣該種風(fēng)力機(jī)[46]。 靜態(tài)啟動(dòng)性能仿真計(jì)算模型計(jì)算模擬的垂直軸風(fēng)機(jī)原型如圖31所示，該模型為本課題組發(fā)明專(zhuān)利[47]設(shè)計(jì)。在CFD前處理中忽略風(fēng)力機(jī)中支撐桿的氣動(dòng)阻力作用，考慮葉片尾部和轉(zhuǎn)軸對(duì)風(fēng)力機(jī)整體氣動(dòng)性能的影響，簡(jiǎn)化后模型如圖32。 圖31 垂直軸風(fēng)力機(jī)基本結(jié)構(gòu) 圖32 簡(jiǎn)化后風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力機(jī)葉片采用的葉片翼型為DU91_W_250，葉片詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表31所示。風(fēng)力機(jī)三維模型由UG NX繪制而成，并導(dǎo)入有限元前處理軟件ICEM中進(jìn)行進(jìn)一步網(wǎng)格劃分。表31葉片設(shè)計(jì)參數(shù)(DU91_W_250)弦長(zhǎng)c(mm)相對(duì)厚度(%)旋轉(zhuǎn)半徑 (mm)葉片數(shù)N葉片長(zhǎng)度 (mm)設(shè)定攻角ɑ(176。)塔筒半徑 (mm)40025150043000575運(yùn)用ICEM CFD軟件對(duì)全尺寸葉片和轉(zhuǎn)軸以及整個(gè)計(jì)算域按結(jié)構(gòu)所在位置“分塊”并采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖33)。為了體現(xiàn)邊界層粘性流動(dòng)特征，對(duì)附面層網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，葉片截面周邊四邊形網(wǎng)格如圖34。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約124萬(wàn)個(gè)。 圖33 計(jì)算域網(wǎng)格劃分 圖34葉片周邊網(wǎng)格劃分 計(jì)算方法將垂直軸風(fēng)力機(jī)完整流場(chǎng)網(wǎng)格導(dǎo)入CFD計(jì)算軟件CFX中。進(jìn)行邊界條件設(shè)定如下：(1)入口：圓頭邊界為入口，在該處設(shè)定進(jìn)口總溫、入流方向和湍流強(qiáng)度。(2)出口：計(jì)算域右邊平面為出口，該處設(shè)定為平均靜壓，相對(duì)靜壓強(qiáng)為0。(3)對(duì)稱(chēng)面：計(jì)算域上下表面為對(duì)稱(chēng)界面，對(duì)稱(chēng)面相對(duì)于葉片高出1 m。(4)壁面：葉片和主軸表面為壁面，并設(shè)定為無(wú)滑移壁面，即壁面切向速度與法向速度都為0。這里研究垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，葉片被設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)下入流風(fēng)速對(duì)其轉(zhuǎn)矩的影響。該風(fēng)力機(jī)有四個(gè)葉片，計(jì)算工況為在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，每個(gè)葉片在90176。圓周角內(nèi)每隔10176。的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，計(jì)算工況如表32所示：表32 計(jì)算工況工況123456789入流角(176。)01020304050607080監(jiān)測(cè)葉片各工況中轉(zhuǎn)矩變化，直至收斂。圖35為10176。入流角下流場(chǎng)風(fēng)速分布圖。其中，1號(hào)葉片的靜止?fàn)顟B(tài)下?tīng)恳ψ畲?，?號(hào)葉片牽引力最小，；、。迎風(fēng)葉片背后存在較強(qiáng)的湍流區(qū)，處于湍流區(qū)的葉片不能發(fā)揮最佳氣動(dòng)特性。圖35 流場(chǎng)風(fēng)速分布圖圖36(a)為葉片尾流結(jié)構(gòu)分布，由圖可見(jiàn)上游迎風(fēng)葉片葉尖處有漩渦生成并向葉片中部轉(zhuǎn)移。漩渦在中部膨脹，與下游葉片交織在一起。尾流結(jié)構(gòu)改變了下游葉片迎風(fēng)角和迎風(fēng)速度等特性。該特性變化可由圖36(b)葉片周?chē)骶€分布看出，圖中葉片梢部和主軸的存在都影響氣流流線的變化。因此包含全尺寸葉片的三維CFD計(jì)算必將成為垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)與校核的有效手段。 (a)正視圖 (b)俯視圖圖36 葉片周邊流線分布圖37為風(fēng)力機(jī)在不同入流角下靜轉(zhuǎn)矩變化曲線，由圖可見(jiàn)，葉片啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨入流角即葉片初始方位角變化而變化，當(dāng)入流角為30176。左右時(shí)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，m。即每個(gè)葉片都不處于上游葉片尾流區(qū)內(nèi)時(shí)，風(fēng)力機(jī)可產(chǎn)生最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，在下一節(jié)各個(gè)參數(shù)影響性能分析中，將各個(gè)設(shè)計(jì)方案中各個(gè)葉片都設(shè)置在類(lèi)似方位角下進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。圖37 葉片啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與入流角關(guān)系 葉片啟動(dòng)性能影響參數(shù)分析結(jié)合CFD計(jì)算結(jié)果，調(diào)整葉片安裝半徑、弦長(zhǎng)、安裝角度和葉片數(shù)四個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，研究對(duì)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的影響。 不同葉片安裝半徑下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析 圖38 不同安裝半徑下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 、、 m時(shí)，靜止垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算得出，風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著葉片安裝半徑的增加而增加，即葉片安裝半徑越大，自啟動(dòng)性能越好。 不同葉片弦長(zhǎng)下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析圖39 不同弦長(zhǎng)下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、、 m時(shí)，靜止垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算得出：風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著葉片弦長(zhǎng)的增加而增加，即葉片弦長(zhǎng)越長(zhǎng)，自啟動(dòng)性能越好。 m時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加較快，轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長(zhǎng)增加而增加的幅度明顯減小。 不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析圖310 不同葉片安裝角下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖310為葉片安裝角分別選用1～9176。時(shí)，靜止垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算得出：不同的葉片安裝角度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的影響比較小，安裝角從1176。增加至8176。時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，當(dāng)安裝角達(dá)到9176。時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。 不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析圖311 不同葉片數(shù)目下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖311為葉片數(shù)分別選用2枚、3枚、4枚、5枚時(shí)，靜止垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算得出：葉片數(shù)越多，風(fēng)力機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，自啟動(dòng)性能越好。本章通過(guò)三維CFD技術(shù)分析了全尺寸垂直軸風(fēng)力機(jī)的半徑、葉片弦長(zhǎng)、安裝角和葉片數(shù)四個(gè)參數(shù)對(duì)其自啟動(dòng)性能的影響，得到以下結(jié)論：(1) 上游葉片和塔筒的尾流對(duì)下游葉片氣動(dòng)特性具有影響，表現(xiàn)為，當(dāng)葉片處于上述尾流區(qū)內(nèi)時(shí)，牽引力急劇減小；當(dāng)氣流從兩葉片之間穿過(guò)時(shí)，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到最大值。(2) 風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨葉片安裝半徑的增加而增加，即葉片安裝半徑越大，自啟動(dòng)性能越好；，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)較快，轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長(zhǎng)增加的幅度明顯減?。徊煌娜~片安裝角度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的影響比較小，安裝角從1176。增加至8176。時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之增加，安裝角達(dá)到9176。時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減?。蝗~片數(shù)越多，風(fēng)力機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，自啟動(dòng)性能越好。(3) 充分考慮各種因素的三維CFD技術(shù)可精確的模擬葉片的氣動(dòng)性能，同時(shí)考慮葉片在各工況下結(jié)構(gòu)特性變化的耦合性能分析必將成為垂直軸風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效手段。第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析與發(fā)電機(jī)配置第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析與發(fā)電機(jī)配置垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析包括葉片氣動(dòng)力變化規(guī)律研究、風(fēng)輪設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)影響分析以及功率控制策略研究等。它是研究垂直軸風(fēng)力機(jī)性能、評(píng)估整機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提煉運(yùn)行控制策略的前提。計(jì)算機(jī)性能的發(fā)展提升了流場(chǎng)湍流模擬的可靠性，因此垂直軸風(fēng)力機(jī)的CFD模擬為動(dòng)態(tài)性能分析提供了有效的技術(shù)手段，并逐漸成為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的替代品。 動(dòng)態(tài)工作性能仿真計(jì)算模型圖41 為促進(jìn)城市風(fēng)能利用，降低非可再生資源的消耗，加拿大地方政府和企業(yè)大力推廣垂直軸風(fēng)力機(jī)。其中，麥克馬斯特大學(xué)(McMaster University)，并進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[48]。該風(fēng)力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表41 所示：表41風(fēng)力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)風(fēng)機(jī)類(lèi)型風(fēng)輪直徑D(m)葉片長(zhǎng)度L(m)翼型弦長(zhǎng)c(m)安裝角β(176。)葉片數(shù)HDarrieusNACA001503小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)工作性能影響很大。本章的三維風(fēng)力機(jī)CFD模型包括不同葉片安裝半徑、不同弦長(zhǎng)、不同安裝角度和不同葉片數(shù)。根據(jù)不同模型的計(jì)算結(jié)果，研究葉片安裝半徑、弦長(zhǎng)、安裝角度和葉片數(shù)四個(gè)參數(shù)對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。根據(jù)上一章的簡(jiǎn)化建模方法，將UG里建好的風(fēng)力機(jī)模型導(dǎo)入ICEM中。在ICEM里面建立流場(chǎng)的邊界，本章中涉及的計(jì)算為瞬態(tài)計(jì)算，整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，如圖42所示。 (a)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)區(qū)域 (b)旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格效果圖42 垂直軸風(fēng)力機(jī)ICEM CFD網(wǎng)格劃分對(duì)整個(gè)區(qū)域分塊處理，忽略垂直軸風(fēng)力機(jī)支撐桿的影響，采用六面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。圖41b為三葉片風(fēng)力機(jī)模型旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分效果。為了邊界層計(jì)算的精確，對(duì)邊界層進(jìn)行了加密處理，第一層網(wǎng)格厚度大約為1mm。整個(gè)計(jì)算域包括約為340萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)。 計(jì)算方法 邊界條件的確定將垂直軸風(fēng)力機(jī)完整流場(chǎng)網(wǎng)格導(dǎo)入CFD計(jì)算軟件CFX中。進(jìn)行邊界條件設(shè)定如下：(1)入口：左邊界為入口，在該處設(shè)定進(jìn)口總溫、入流方向和湍流強(qiáng)度。(2)出口：計(jì)算域右邊平面為出口，該處設(shè)定為平均靜壓，相對(duì)靜壓強(qiáng)為0。(3)無(wú)滑移壁面：葉片表面及靜止域表面設(shè)定為無(wú)滑移壁面, 流場(chǎng)頂面和兩側(cè)設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界。(4)相對(duì)旋轉(zhuǎn)邊界：靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)定為相對(duì)旋轉(zhuǎn)邊界。 瞬態(tài)計(jì)算的處理方法自然界一切流動(dòng)現(xiàn)象都是瞬態(tài)的。垂直軸風(fēng)力機(jī)在來(lái)流風(fēng)作用下圍繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片翼型迎流風(fēng)速和攻角隨方位角發(fā)生變化，氣動(dòng)力也隨之改變，因此其CFD模擬過(guò)程屬于典型的瞬態(tài)模擬。與第三章中計(jì)算啟動(dòng)力矩不同，垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)工作性能分析類(lèi)型為transient；求解時(shí)間為葉輪旋轉(zhuǎn)10圈所用時(shí)間，即為5s；時(shí)間步長(zhǎng)選取葉輪旋轉(zhuǎn)5176。時(shí)所用時(shí)間，計(jì)算公式如式(41)： (41)式中：為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度