雙葉片直線翼垂直軸風力發電機在不同相位角下葉片速度的分布特性

摘 要：直線翼垂直軸風力發電機的氣動特性一直是其研究的難題，葉輪旋轉過程中葉片速度的分布特性使其難點之一。文章將采用Fluent軟件對雙葉片直線翼垂直軸風力發電機在不同相位角下的葉片速度進行分析，為了簡化模型減少計算量，采用二維模型進行計算。經分析得到，風輪流場進入穩定狀態后，葉片周圍流場呈現周期性分布，葉片相位角轉到45°時開始在葉片后緣產生氣流分離，產生輕失速。當相位角為90°時葉片表面的氣流嚴重分離，后駐點已經到達葉片前緣1/3處，產生了深度失速。

關鍵詞：垂直軸風力發電機；氣動特性；Fluent

前言

伴隨全球能源危機的爆發和環境污染的日益嚴重，風力發電越來越受到各國政府的重視，促進了風力發電機的快速發展。目前，風力發電機主要分為兩類，一類是發展相對比較成熟的水平軸風力發電機，另一類是發展相對不成熟的垂直軸風力發電機。由于垂直軸風力發電機的上流場對下流場的影響和葉片功角的不斷變化，使得其流場非常復雜，這使得發展最早的垂直軸風力發電機卻沒有水平軸風力發電機研究的成熟。伴隨計算機的迅速發展，計算流體力學得到飛速發展，研究垂直軸風力發電機流場特性成為可能。因此，文章將利用Fluent針對雙葉片直線翼垂直軸風力發電機的流場進行有限元分析，為研究人員提供參考[1]。

1 直線翼垂直軸風力發電機的模型建立

如果采用三維模型進行分析，風機的網格數量將達到三百萬以上，對于四核處理器的電腦將計算兩天多，而采用二維模型計算，網格數量將大大降低到十萬網格。其中葉輪旋轉直徑為D=2m，葉片翼型編號為NACA0021，弦長為c=265mm。如圖1為風機葉輪劃分網格后的二維有限元模型。

邊界條件采用速度入口且入口速度為8m/s；出口采用壓力出口，且其出口壓力值采用默認的壓力值0Pa；計算域邊界區域采用對稱邊界條件；計算域采用滑移網格技術，將其分為旋轉區和靜止區，旋轉區與靜止區交界采用interface邊界條件，其它采用默認邊界條件Wall。

2 ANSY Fluent12.0的仿真分析

此仿真計算采用定常數無壓縮粘性流進行數值計算，由于垂直軸風力發電機的風輪旋轉過程中產生深度失速現象。因此，仿真采用湍流模型進行計算，模型采用k-ω SST。采用基于壓力隱式Couple算法進行求解，并利用二階迎風差分格式離散。將計算時間步長設置為360步，由此設定風機每轉動5°計算一次，其計算結果如圖2所示，當相位角為0°時，氣流附著在葉片表面流動，此時葉片沒有產生失速現象，有利于葉片將風能轉化為機械能，即有利于葉片吸收風能。當葉片相位角為90°時，葉片上表面分離氣流已經前移到前緣，基本覆蓋整個葉片上表面，此時葉片處于深度失速狀態。當葉片相位角為180°時，葉片表面氣流為附著流動，此時葉片表現最大流速產生在葉尾處，這是由于葉片的運動方向與氣流方向相同。當葉片相位角為270°時，葉片表現氣流再次產生分離現象，此時葉片上表面的氣流分離比葉片相位角為90°時的分離更加靠近葉片前緣，分離效果更加嚴重，這是因為上流場對下流場的影響的結果。

3 結束語

由上述分析和論述可以得到以下兩個結論：

（1）葉片相位角轉到45°時開始在葉片后緣產生氣流分離，產生輕失速。當相位角為90°時葉片表面的氣流嚴重分離，后駐點已經到達葉片前緣1/3處，產生了深度失速。

（2）當氣流穩定時，葉片表面的流速呈現周期性變化。

參考文獻

[1]惠萬馨.垂直軸風力機三維氣動性能的數值模擬及分析[J].現代電力，2013（1）.