新型鏈傳動式風力機氣動性能的數值模擬

齊曉慧,宋力,田瑞,李軍利,張慶祝

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院,內蒙古呼和浩特010051)

鏈傳動式風能轉換裝置是一種新型風力機,具有結構簡單、便于安裝維修、工藝簡單、成本低、啟動風速低、功率輸出平穩、風能利用系率高等特點。本文用Fluent軟件對風力機整機在8 m/s以下的不同風速工況進行氣動性能的數值模擬計算,仿真葉片氣動流場流態,觀察其葉片表面壓強分布、流速分布、湍流強度、流速矢量等流態圖,并計算新型鏈傳動式風力機風能利用系數,與實驗值進行比較,驗證風力機氣動性能數值模擬的可靠性。

1 鏈傳動式風能轉換裝置

1.1 裝置結構

鏈傳動式風能轉換裝置的葉片采用鐵片和其他材料制作,葉片一端固定在葉片轉軸上,轉軸通過小軸和軸承與鏈條連接,葉片另一端與葉片束縛部件連接,2對同型號的齒輪分別安裝在2根水平轉軸上,2個鏈條各自安裝在垂直于轉軸方向的一對鏈輪上,下部齒輪的能量輸出軸聯接轉矩轉速傳感器和發電機(圖1)[1-2]。

1.2 工作原理

風以一定速度的吹過本裝置時,柔性葉片會自動彎曲(圖2)此時第一層葉片會受到風壓向上的作用力,風經過第一層葉片,改變方向,繼續作用第二層葉片,使其仍然彎曲產生向下的作用力,這樣,兩層葉片所受到的作用力方向相反,葉片再通過小軸把力傳給鏈條,使環狀鏈條向一致的方向運動,帶動鏈輪轉動 ,并且在能量輸出軸上輸出驅動力矩,發電機在此力矩的驅動下旋轉發電[3]。

圖1 新型風力發電裝置結構示意圖

圖2 彎曲葉片受力示意圖

2 數值模擬計算方法

標準k-ε模型的輸運方程為:

式中:ε為湍動耗散率;μi為湍動粘度;Gk為有余平均速度梯度引起的湍動能κ產生項為由于浮力引起的湍動能κ產生項,為可壓湍流中脈動擴張的貢獻;C1ε,C2ε和C3ε為經驗常數 ;σk和 σε分別為湍動能κ和耗散率ε對應的 Prandtl數,Sk和Sε為用戶定義的源項。[4]

標準 k-ε模型由 Launder和Spalding提出,模型假定湍流為各向同性的均勻湍流,本身具有的穩定性、經濟性和比較高的計算精度。

3 建模、網格劃分和邊界條件設定

3.1 幾何建模

本課題風力發電機的基本參數為:額定風速為8 m/s,風速范圍2～ 12 m/s,啟動風速2.56 m/s,切出風速12.0 m/s。葉片長 l取0.5 m,葉片寬h取0.145 m,葉片厚0.002 m。

整機幾何建模包括:葉片建模,導流罩建模,第一層葉片流體建模,第二層葉片流體建模,導流罩流體建模,以及整機風場建模,見圖3。

圖3 風力機風場幾何建模

其中葉片原型為鐵質直葉片,在8 m/s以下的風速范圍內,葉片變形輕微建模時可以簡化為理想的平板葉片模型;導流罩長 0.60 m,寬0.65 m,高1.8 m;風場長6 m,寬2 m,高3 m。為了減少網格節約計算時間,令計算關心的內域網格數較密集,外域網格較稀疏,整個計算域網格數為447 324,其中網格質量(Equi Angle Skew)在0.2～0.6之間的占96.65%,說明生成的網格質量符合要求,可以進行計算。

3.2 邊界條件設定

本次三維模型的氣動數值模擬計算,采用分離式求解器(Segregated),三維穩態流動(3D,Steady),絕對速度(Absolute),隱式求解(Implicit),標準K-ε模型。流體材料設為空氣,密度 ρ取1.2 kg/m3;動量采用二階迎風離散格式(Second Order Up-wind);壓力和速度耦合采用 SIMPLE算法。速度進口取8.00 m/s;同時計算變工況下風力機氣動數值模擬,風速變化為3.36,3.72,3.86,4.13,5.46,5.95,7.08,8.00 m/s;出口壓力為0 Pa。

MRF模型(Multiple Reference Frame Model)稱為復合坐標系模型,是Fluent軟件提供的一種解決靜止和運動區域并存問題的方法,它允許將整個計算域分成多個小的子域,每個子域可以有自己的運動方式,或靜止,或旋轉,或平移;本文的第一層葉片移動流體采用MRF模型,2.826 m/s;第二層葉片移動流體也采用MRF模型,-2.826 m/s。葉片壁面為移動壁面 ,相對移動速度0。對近壁面區采用壁面函數法。在粘性流動中壁面處默認為非滑移邊界條件。

4 計算結果與分析討論

4.1 計算結果

在進行不同風速工況下風力機氣動數值模擬計算收斂結束后 ,對各個工況下風力機的繞軸旋轉扭矩輸出并記錄在案,然后對記錄數據和計算數據進行整理和分析,得到風能利用系數與風速的關系曲線,最后與實驗值做對比,見圖4。

圖4 風能利用系數與風速的關系

從圖4中可以看出,在風速低于8 m/s時風能利用系數隨風速變化的趨勢與實驗基本相同,計算值與實驗值的相對誤差在20%范圍內。由此可以得出,在風速低于8 m/s的范圍內,通過簡化后的理想平板葉片的數值模擬計算可以預測該風力機的氣動性能。

4.2 整機及其局部的特性、現象及分布特點

圖5-圖10為整機典型軸截面和局部葉片流線、氣動壓力、流速、湍流和流速矢量圖。

由圖5入口某點的流線圖和圖9葉片速度矢量圖可以看出,用Fluent模擬氣流的流動狀態是符合風力機運轉的實際情況的。

由圖5和圖6典型軸截面的壓強和速度分布圖,以及圖8和圖9上、下游葉片正面壓力和背面壓強分布圖可以看出,風以一定速度的吹過本裝置時,第一層葉片受到風壓向上的作用力,第二層葉片受到風壓向下的作用力,與實驗中風力機運轉時受力情況相符合。

圖5 入口某點流線

圖6 Z=0截面壓強分布圖

圖7 Z=0截面速度分布圖

圖8 上游葉片正面、背面壓強分布圖

圖9 下游葉片正面、背面壓強分布圖

圖10 葉片速度矢量圖

5 結論

新型鏈傳動式風力機在8 m/s以下的風速范圍內,葉片變形量很小,故在數值模擬計算中可以簡化為理想的平板葉片,通過對新型鏈傳動風力機進行三維幾何建模和網格劃分以及在8 m/s以下的不同風速工況進行氣動數值模擬計算分析可以得出如下結論。

(1)從風力機氣動數值模擬計算得出的風能利用系數與風速關系曲線變化趨勢與實驗結果一致,計算結果也與實驗結果較接近,說明這種風力機氣動數值模擬計算和仿真是可靠的、可行的。

(2)觀察其葉片表面以及整機的壓強分布、流速分布、湍流強度、流速矢量等流態圖,可以直觀和感性地認識和觀察葉輪和整機氣動特性和流動現象,以及其壓力、流速等重要氣動參數的分布特點,并能很好地觀察葉片以及整機周圍的流場分布。

(3)由于風機葉片為柔性葉片,在風速作用下會有彎曲變形,而且隨著風速增大變形量會變大,比較模擬計算與實驗結果可以認為在風速超過8 m/s時,葉片計算模型不能采用平板葉片的形式。

(4)模擬數據與實驗數據結合起來參考和分析有利于研究風力機葉片和整機氣動性能和運行工況,運用仿真研究成本低、周期短,能獲得完整的數據和模擬出實際運行過程中各種所測數據狀態,為新型鏈傳動式風力機葉片及整機的設計、改型和研發工作提供技術參數和指導意見。

[1]王陽,田瑞,李志川.鏈傳動式新型風力發電裝置的動力性能研究[J].能源工程,2008(2):28-30.

[2]王陽.新型風力機的設計及其動力性能試驗研究[D].呼和浩特:內蒙古工業大學,2008.

[3]叢雨,田瑞,林麗華.鏈傳動式風能轉換裝置理論模型的研究[J].可再生能源,2009(8):18-23.

[4]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.