【文章內(nèi)容簡介】 形式，又可表示為： (216)上式中被稱作雷諾應(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湍流現(xiàn)象進行模擬[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的剪切應(yīng)力效應(yīng)，并且避免計算復(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題，可較為精確的模擬計算物體的邊界層流動情況[41]。在該模型中，定義動態(tài)渦粘系數(shù)如下： (218)湍流動能κ為： (219)特定湍流耗散率ω為： (220) 其中：Ω為渦量，ν為運動粘度基本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湍流模型的過渡，y為距壁面的距離，CDkω和Pk為選擇器，可以防止湍流動能的錯誤計算。(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的一個流體力學(xué)中重要的數(shù)值模擬方法。通過設(shè)定一個尺度，求解該尺度以上所有尺度的湍流運動，因此能夠克服DNS需要計算全部尺寸湍流的巨大計算量問題，還能夠計算出RANS無法求解的許多瞬態(tài)過程中出現(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數(shù)值模擬發(fā)展方向。因為計算量依然很大，目前在工程上無法廣泛應(yīng)用大渦模擬，但是為許多流動機理問題的研究提供了更為可靠的方法，可以為流動控制提供理論基礎(chǔ)，并可為工程上廣泛應(yīng)用的雷諾平均(RANS)方法改進提供指導(dǎo)[42]。 移動網(wǎng)格技術(shù)對于正常工作狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機，為了能準(zhǔn)確模擬出風(fēng)力機外流場的瞬態(tài)變化特性。在風(fēng)力機流體數(shù)值模擬中，一般將整個流場分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域即為包括風(fēng)力機在內(nèi)的中心流場，靜止區(qū)域即外圍流場，之間的交界面用移動網(wǎng)格技術(shù)處理。(1) 移動網(wǎng)格技術(shù)簡介在運用移動網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值模擬中，通常計算域是由兩個或多個獨立域構(gòu)成。每兩個相鄰的獨立域銜接處的界面都為滑移界面，滑移界面連接兩個與之相鄰的網(wǎng)格區(qū)域。在計算時，設(shè)定的步數(shù)內(nèi)，兩個區(qū)域的網(wǎng)格沿著滑移邊界相對運動[43]。網(wǎng)格的滑移邊界形狀樣式很多。在直線運動中，移動網(wǎng)格的滑移邊界通常為一個平面。本文中風(fēng)力機是轉(zhuǎn)動的，所以在模型中移動邊界為圓柱形狀。(2) 移動網(wǎng)格控制方程移動網(wǎng)格技術(shù)的通用控制方程可以寫成如下形式： (221)式中：為流體密度 為移動網(wǎng)格運動速度 擴散系數(shù) 緣項 邊界上的控制體積對上式中的時間項采用一階向后差分方法可寫成 (222)式中，上標(biāo)n表示當(dāng)前時刻，n+1表示下一時刻，n+1時刻的體積可由下式表示： (223)式中：為通過控制體的體積流量，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個面，為第i個面上的面積分量。上式中，可以表示為下式： (225)表示在時間內(nèi)通過面i的流量。由上式可知，計算通過滑移邊界的流量為移動網(wǎng)格計算的關(guān)鍵技術(shù)所在。 本章小結(jié)本章主要介紹了垂直軸風(fēng)力機氣動原理與CFD技術(shù)的基本知識，通過對H型垂直軸風(fēng)力機氣動特征、湍流模型與移動網(wǎng)格技術(shù)等理論的探討，為H型垂直軸風(fēng)力機流場及尾流的數(shù)值模擬計算提供了理論支撐。第三章 垂直軸風(fēng)力機靜態(tài)啟動性能分析第三章 垂直軸風(fēng)力機靜態(tài)啟動性能分析垂直軸風(fēng)力機分為阻力型和升力型風(fēng)力機。阻力型風(fēng)機通常啟動轉(zhuǎn)矩較大，但相對于升力型風(fēng)機其風(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)力機的代表，在風(fēng)力發(fā)電國家具有一定市場，是水平軸風(fēng)力機的主要競爭對手[44]。但Darrieus風(fēng)力機因靜止轉(zhuǎn)矩為零，因此不能自行啟動，需要靠外力將風(fēng)力機提升到一定轉(zhuǎn)速后，或在較高的風(fēng)速下才能啟動[45]。為改善Darrieus風(fēng)力機的性能，降低成本，近年來具有直線型葉片的Darrieus風(fēng)力機，即H型風(fēng)力機越來越受到國際風(fēng)能領(lǐng)域的關(guān)注，并且歐美、加拿大和日本等國都在積極研究和推廣該種風(fēng)力機[46]。 靜態(tài)啟動性能仿真計算模型計算模擬的垂直軸風(fēng)機原型如圖31所示，該模型為本課題組發(fā)明專利[47]設(shè)計。在CFD前處理中忽略風(fēng)力機中支撐桿的氣動阻力作用，考慮葉片尾部和轉(zhuǎn)軸對風(fēng)力機整體氣動性能的影響，簡化后模型如圖32。 圖31 垂直軸風(fēng)力機基本結(jié)構(gòu) 圖32 簡化后風(fēng)力機 風(fēng)力機葉片采用的葉片翼型為DU91_W_250，葉片詳細(xì)設(shè)計參數(shù)如表31所示。風(fēng)力機三維模型由UG NX繪制而成，并導(dǎo)入有限元前處理軟件ICEM中進行進一步網(wǎng)格劃分。表31葉片設(shè)計參數(shù)(DU91_W_250)弦長c(mm)相對厚度(%)旋轉(zhuǎn)半徑 (mm)葉片數(shù)N葉片長度 (mm)設(shè)定攻角ɑ(176。)塔筒半徑 (mm)40025150043000575運用ICEM CFD軟件對全尺寸葉片和轉(zhuǎn)軸以及整個計算域按結(jié)構(gòu)所在位置“分塊”并采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分(圖33)。為了體現(xiàn)邊界層粘性流動特征，對附面層網(wǎng)格進行了加密處理，葉片截面周邊四邊形網(wǎng)格如圖34。整個計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約124萬個。 圖33 計算域網(wǎng)格劃分 圖34葉片周邊網(wǎng)格劃分 計算方法將垂直軸風(fēng)力機完整流場網(wǎng)格導(dǎo)入CFD計算軟件CFX中。進行邊界條件設(shè)定如下：(1)入口：圓頭邊界為入口，在該處設(shè)定進口總溫、入流方向和湍流強度。(2)出口：計算域右邊平面為出口，該處設(shè)定為平均靜壓，相對靜壓強為0。(3)對稱面：計算域上下表面為對稱界面，對稱面相對于葉片高出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)力機啟動轉(zhuǎn)矩，葉片被設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)下入流風(fēng)速對其轉(zhuǎn)矩的影響。該風(fēng)力機有四個葉片，計算工況為在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，每個葉片在90176。圓周角內(nèi)每隔10176。的氣動轉(zhuǎn)矩計算，計算工況如表32所示：表32 計算工況工況123456789入流角(176。)01020304050607080監(jiān)測葉片各工況中轉(zhuǎn)矩變化，直至收斂。圖35為10176。入流角下流場風(fēng)速分布圖。其中，1號葉片的靜止?fàn)顟B(tài)下牽引力最大，；3號葉片牽引力最小，；、。迎風(fēng)葉片背后存在較強的湍流區(qū)，處于湍流區(qū)的葉片不能發(fā)揮最佳氣動特性。圖35 流場風(fēng)速分布圖圖36(a)為葉片尾流結(jié)構(gòu)分布，由圖可見上游迎風(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)葉片周圍流線分布看出，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計算必將成為垂直軸風(fēng)力機葉片氣動設(shè)計與校核的有效手段。 (a)正視圖 (b)俯視圖圖36 葉片周邊流線分布圖37為風(fēng)力機在不同入流角下靜轉(zhuǎn)矩變化曲線，由圖可見，葉片啟動轉(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。左右時風(fēng)力機啟動轉(zhuǎn)矩最大，m。即每個葉片都不處于上游葉片尾流區(qū)內(nèi)時，風(fēng)力機可產(chǎn)生最大的啟動轉(zhuǎn)矩。同時，在下一節(jié)各個參數(shù)影響性能分析中，將各個設(shè)計方案中各個葉片都設(shè)置在類似方位角下進行氣動計算，進而進行綜合評價。圖37 葉片啟動轉(zhuǎn)矩與入流角關(guān)系 葉片啟動性能影響參數(shù)分析結(jié)合CFD計算結(jié)果，調(diào)整葉片安裝半徑、弦長、安裝角度和葉片數(shù)四個垂直軸風(fēng)力機設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，研究對風(fēng)力機啟動性能的影響。 不同葉片安裝半徑下的風(fēng)力機啟動性能分析 圖38 不同安裝半徑下的啟動轉(zhuǎn)矩 、、 m時，靜止垂直軸風(fēng)力機在不同風(fēng)速下的最大啟動轉(zhuǎn)矩值。計算得出，風(fēng)力機的靜態(tài)啟動轉(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，自啟動性能越好。 不同葉片弦長下的風(fēng)力機啟動性能分析圖39 不同弦長下的啟動轉(zhuǎn)矩、、 m時，靜止垂直軸風(fēng)力機在不同風(fēng)速下的啟動轉(zhuǎn)矩值。計算得出：風(fēng)力機的靜態(tài)啟動轉(zhuǎn)矩隨著葉片弦長的增加而增加，即葉片弦長越長，自啟動性能越好。 m時，啟動轉(zhuǎn)矩增加較快，轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長增加而增加的幅度明顯減小。 不同葉片安裝角下的風(fēng)力機啟動性能分析圖310 不同葉片安裝角下的啟動轉(zhuǎn)矩圖310為葉片安裝角分別選用1～9176。時，靜止垂直軸風(fēng)力機在不同風(fēng)速下的啟動轉(zhuǎn)矩值。計算得出：不同的葉片安裝角度對垂直軸風(fēng)力機啟動性能的影響比較小，安裝角從1176。增加至8176。時，啟動轉(zhuǎn)矩也隨之增加，當(dāng)安裝角達(dá)到9176。時，啟動轉(zhuǎn)矩減小。 不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機啟動性能分析圖311 不同葉片數(shù)目下的啟動轉(zhuǎn)矩圖311為葉片數(shù)分別選用2枚、3枚、4枚、5枚時，靜止垂直軸風(fēng)力機在不同風(fēng)速下的啟動轉(zhuǎn)矩值。計算得出：葉片數(shù)越多，風(fēng)力機的最大啟動轉(zhuǎn)矩越大，自啟動性能越好。本章通過三維CFD技術(shù)分析了全尺寸垂直軸風(fēng)力機的半徑、葉片弦長、安裝角和葉片數(shù)四個參數(shù)對其自啟動性能的影響，得到以下結(jié)論：(1) 上游葉片和塔筒的尾流對下游葉片氣動特性具有影響，表現(xiàn)為，當(dāng)葉片處于上述尾流區(qū)內(nèi)時，牽引力急劇減??；當(dāng)氣流從兩葉片之間穿過時，風(fēng)力機啟動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到最大值。(2) 風(fēng)力機的靜態(tài)啟動轉(zhuǎn)矩隨葉片安裝半徑的增加而增加，即葉片安裝半徑越大，自啟動性能越好；，啟動轉(zhuǎn)矩增長較快，轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長增加的幅度明顯減?。徊煌娜~片安裝角度對垂直軸風(fēng)力機啟動性能的影響比較小，安裝角從1176。增加至8176。時，啟動轉(zhuǎn)矩也隨之增加，安裝角達(dá)到9176。時，啟動轉(zhuǎn)矩減??；葉片數(shù)越多，風(fēng)力機的最大啟動轉(zhuǎn)矩越大，自啟動性能越好。(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性能，同時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)力機優(yōu)化設(shè)計的有效手段。第四章 垂直軸風(fēng)力機動態(tài)性能分析與發(fā)電機配置第四章 垂直軸風(fēng)力機動態(tài)性能分析與發(fā)電機配置垂直軸風(fēng)力機動態(tài)性能分析包括葉片氣動力變化規(guī)律研究、風(fēng)輪設(shè)計技術(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)力機性能、評估整機安全穩(wěn)定運行和提煉運行控制策略的前提。計算機性能的發(fā)展提升了流場湍流模擬的可靠性，因此垂直軸風(fēng)力機的CFD模擬為動態(tài)性能分析提供了有效的技術(shù)手段，并逐漸成為風(fēng)洞實驗的替代品。 動態(tài)工作性能仿真計算模型圖41 為促進城市風(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。其中，麥克馬斯特大學(xué)(McMaster University)，并進行了風(fēng)洞實驗[48]。該風(fēng)力機主要技術(shù)參數(shù)如表41 所示：表41風(fēng)力機主要技術(shù)參數(shù)風(fēng)機類型風(fēng)輪直徑D(m)葉片長度L(m)翼型弦長c(m)安裝角β(176。)葉片數(shù)HDarrieusNACA001503小型垂直軸風(fēng)力機的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動態(tài)工作性能影響很大。本章的三維風(fēng)力機CFD模型包括不同葉片安裝半徑、不同弦長、不同安裝角度和不同葉片數(shù)。根據(jù)不同模型的計算結(jié)果，研究葉片安裝半徑、弦長、安裝角度和葉片數(shù)四個參數(shù)對垂直軸風(fēng)力機氣動性能的影響。根據(jù)上一章的簡化建模方法，將UG里建好的風(fēng)力機模型導(dǎo)入ICEM中。在ICEM里面建立流場的邊界，本章中涉及的計算為瞬態(tài)計算，整個計算區(qū)域分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，如圖42所示。 (a)風(fēng)力機流場區(qū)域 (b)旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格效果圖42 垂直軸風(fēng)力機ICEM CFD網(wǎng)格劃分對整個區(qū)域分塊處理，忽略垂直軸風(fēng)力機支撐桿的影響，采用六面體單元進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。圖41b為三葉片風(fēng)力機模型旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分效果。為了邊界層計算的精確，對邊界層進行了加密處理，第一層網(wǎng)格厚度大約為1mm。整個計算域包括約為340萬個網(wǎng)格節(jié)點數(shù)。 計算方法 邊界條件的確定將垂直軸風(fēng)力機完整流場網(wǎng)格導(dǎo)入CFD計算軟件CFX中。進行邊界條件設(shè)定如下：(1)入口：左邊界為入口，在該處設(shè)定進口總溫、入流方向和湍流強度。(2)出口：計算域右邊平面為出口，該處設(shè)定為平均靜壓，相對靜壓強為0。(3)無滑移壁面：葉片表面及靜止域表面設(shè)定為無滑移壁面, 流場頂面和兩側(cè)設(shè)定為對稱邊界。(4)相對旋轉(zhuǎn)邊界：靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)定為相對旋轉(zhuǎn)邊界。 瞬態(tài)計算的處理方法自然界一切流動現(xiàn)象都是瞬態(tài)的。垂直軸風(fēng)力機在來流風(fēng)作用下圍繞主軸轉(zhuǎn)動，葉片翼型迎流風(fēng)速和攻角隨方位角發(fā)生變化，氣動力也隨之改變，因此其CFD模擬過程屬于典型的瞬態(tài)模擬。與第三章中計算啟動力矩不同，垂直軸風(fēng)力機動態(tài)工作性能分析類型為transient；求解時間為葉輪旋轉(zhuǎn)10圈所用時間，即為5s；時間步長選取葉輪旋轉(zhuǎn)5176。時所用時間，計算公式如式(41)： (41)式中：為風(fēng)力機轉(zhuǎn)動角速度