Savonius風力機葉片氣動性能模擬與分析

曲寶麟 桂小紅 程魯康 高日鵬 施永博 李舜堯 宋增光

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

0 引言

近年來，能源問題愈加被重視，對風能的開發利用變得迫在眉睫。目前，研究風力機氣動性能的方法有數值模擬計算、風洞試驗和風場測試等，其中，風洞實驗與風場測試是研究風力機氣動性能最直接明顯的方法。考慮到風洞實驗與風場測試受試驗條件和技術水平限制，成本高、周期長。因此，理論計算在風力機初設階段的性能分析中發揮了重要作用[1-4]。

本文使用商用計算流體動力學(CFD)軟件FLUENT對Savonius風力機(圖1)空氣流域進行計算分析，得到壓力場、速度場等云圖，直觀分析其氣動性能，從而為Savonius風機的設計提供一定的理論依據。

圖1 Savonius風力機外形

1 計算模型的參數和建模過程

經考慮實際情況，假設風機額定輸出功率為80W，設計風速為10m/s，轉速為356rad/min，葉片總高度為1000mm，葉片直徑為250mm，葉片厚度為10mm，轉軸直徑為60mm的Savonius風力機二維模型。設來流速度為10m/s。模型如圖2所示。

圖2 葉片二維模型

通過CAD對葉片建模，導入ICEM對半圓形葉片進行網格劃分，并定義邊界和密度。依據葉片大小，在葉片的表面生成一個風洞，風洞的形狀為長方形。

將工作段直接從葉片處延伸到遠處，這樣具備較好的計算精度，因為風動限制了葉片周圍氣體的運動，對模擬精度有一定程度的影響。設葉片中心與來流入口距離為1000mm，與來流出口距離為4000mm。

先確定葉片和風洞各點的位置，將點連接成線，在風洞表面生成面，將風洞與葉片之間的面減去，拓撲檢查幾何形狀是否丟失，在風洞表面生成一個Block，再對Block進行切分，切分出葉片的形狀并刪除相應的Block，對風洞、葉片邊界與Block進行點和線的關聯，對風洞進行結構網格單元劃分，考慮到計算機性能，將節點間距調整為較小，在保證網格數量的基礎上，提高計算精度，對網格進行檢查調整，優化網格質量，使之滿足計算要求，整個風洞網格劃分結果如圖3所示，葉片周圍的網格劃分如圖4所示。劃分網格后定義邊條件,將風力機的葉片和轉軸定義為wall,風洞表面定義為FLUID。最后保存為mesh文件備用。

圖4 葉片周圍的網格

2 流動控制方程

本研究中數值模擬對象為低速流動下葉片周圍的非定常流場，可以不計算能量方程[3]。

忽略熱傳遞的影響，且假設風機葉片周圍氣體不可壓縮。數值模擬的基本方程為不可壓縮的非定常二維N-S方程[4]:

湍流模型采用κ-ε低雷諾數雙方程湍流模型[4]：

其中，κ為湍動能，ε為湍流耗散量。

3 數值模擬計算

選擇二維單精度處理。同時對重疊、不規則排列的網格進行交換處理。定義湍流模型為具有非平衡壁面函數的標準雙方程模型。

對葉片進行設置時將其選定為旋轉壁面形式，運動方式為相對原點運動，以37rad/s的角速度旋轉，將求解方式設置為二階迎風格式，計算采用基于有限體積法的simple系列算法。將殘差收斂級數設為0.000001進行迭代計算。迭代收斂后的結果見圖5和圖6。

圖5 殘差收斂圖示

圖6 扭矩收斂圖示

4 結果分析

經過約3000次的迭代運算，殘差和扭矩的誤差都低于設定值。依據后處理軟件，可得流場及葉片周圍的速度云圖和壓力云圖。選擇整個流場區域display壓力云圖和速度云圖，結果如圖7和圖8所示。

圖7 壓力分布云圖

圖8 速度分布云圖

從圖7可以看出葉片處的壓力波動較大。左側葉片等壓面要大于右側葉片的等壓面，左側葉片迎風側壓力較大，最大值為1.89e+03Pa；葉片背風側較小，最小值為-1.80e+03Pa。故而形成壓力差，使其繞中心轉軸逆時針轉動。由圖8可得Savonius風力機葉片所在的區域速度較小，而速度梯度較大，即葉片左右兩側向轉軸中心流速遞減。

圖9、圖10為速度矢量圖，通過分析可知：流體在抵達葉片之前，流速穩定，在抵達葉片后，流速發生顯著變化。速度矢量分布圖相對穩定，具有較小的扭矩系數，故該風機葉片的風能利用率較低。

圖9 速度矢量圖

圖10 葉片周圍速度矢量圖

5 結語

設計了一種適合低風速啟動的小型垂直軸風力發電機葉片，針對Savonius阻力型風力擾流流動特點，運用ICEM進行了二維建模及網格劃分，Savonius風力機葉片的流動情況進行數值模擬，得到其流場和壓力場，通過對其氣動性能進行分析后得到以下結論:

1）風流在抵達葉片之前速度急劇降低，在葉片的迎風面處的風速為零，表明Savonius風力機具有較大的阻力系數。

2）左側葉片迎、背風側的壓力差大于右側葉片，這樣就形成了左右葉片的壓力差，從而推動風力機葉片繞中心轉軸逆時針轉動，揭示了Savonius風力機的工作原理。

3）右側葉片迎風側風流一部分轉化為動力，一部分轉化為阻力，降低了風能的利用率，產生了較大的能量損失，導致風能利用率較低，表明該風力機具有較大的改進提升空間。