尾緣射流式垂直軸風力機氣動特性數值分析

李東旭，李 春,2

(1.上海理工大學，能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室(上海理工大學)，上海 200093)

世界能源結構變化使得水能、風能、太陽能、地熱能和生物質能等可再生能源成為各國關注重點，其中風能是最具前景的新能源之一[1-3]。進入21世紀，風電技術高速發展極大提高了風能使用率，由此迎來風能開發的新一輪熱潮[4-6]。風力發電作為燃燒化石燃料的替代方式，不僅在運行過程中不產生任何溫室氣體，且幾乎不占用耕地資源[7]。

風力機是將風能轉換為電能的一種動力裝置，其中垂直軸風力機(VAWTs,Vertical Axis Wind Turbines)旋轉軸垂直于地面并具有以下優點：1)傳動機構位于地面，易于運行及維修[8]；2)葉片重力載荷力矩恒定，不易發生疲勞損傷[9]；3)適用于任何風向，無需偏航裝置[10]。盡管VAWTs存在諸多優點，但因其自身固有特性導致葉片有效攻角不可避免地隨運行方位角發生大幅變化，致使翼型極易處于失速狀態并發生流動分離現象。

流動控制是指針對葉片繞流氣體進行人為控制，最終使葉片達到所需技術要求[11]。射流技術因具有結構簡單及控制方法多樣性等優勢，逐漸被應用到風力機葉片的流動控制領域。Ciuryla等[12]通過風洞實驗研究機翼射流對流動分離的控制效果，結果表明內側副翼射流可將分離點向尾緣推遲并減小分離區域。Liu等[13]和Rimasauskiene等[14]研究了不同種類及參數的激勵器對射流頻率影響，得出所需不同頻率下射流激勵器相應的最佳輸入功率。Bazdidi-Tehrani等[15]通過數值模擬方法研究進口邊界條件和射流速度的關系，結果表明，選用運動活塞和滑動膜片兩種進口作動方式對射流速度峰值有顯著提高作用。Montazer等[16]基于NACA0015翼型，在改進零質量射流裝置結構后，得出對射流孔合理優化可使翼型最大升阻比提高約66%的結論。Mcdonald等[17]通過數值模擬發現，合成射流不僅可使圓柱表面阻力系數減小，而且能降低遠場尾跡區湍流強度。Yen等[18]通過實驗研究，分析了共流射流對水平軸風力機氣動性能影響，實驗發現，在低尖速比時采用間斷性共流射流可有效提高風力機安全穩定性并減小葉尖損失。

射流技術已廣泛應用于流動控制領域，但針對垂直軸風力機的相關研究并不多，且大多數研究僅基于靜態翼型對升阻力進行分析。本文將尾緣射流技術應用至旋轉狀態下的垂直軸風力機中，通過數值模擬方法比較不同射流角度對垂直軸風力機氣動性能的影響，并對流場控制效果等進行分析。

1 氣動性能數值計算

1.1 VAWTs主要氣動參數

圖1為垂直軸風力機翼型在不同方位角時的受力及速度三角形，翼型攻角表示如下：

(1)

式中：θ為風力機相位角；λ為葉尖速比，為風輪葉片尖端速度與來流風速之比，表示為

(2)

式中：R為風力機旋轉半徑，ω為旋轉角速度，V∞為來流風速。

力矩系數Cm與風能利用率Cp也都是VAWT重要的氣動參數，分別為

(3)

式中：A為風力機掃風面積；P為輸出功率；T為轉矩；ρ為空氣密度。

圖1 翼型受力及速度三角形Fig.1 Airfoil force and velocity triangle

1.2 垂直軸風力機模型

H型風力機是垂直軸風力機中的典型代表，由于氣動性能和結構優勢等綜合因素，已成為達里厄升力型風力機的研究熱點[19]。本文采用H型風力機作為研究對象，其幾何模型及參數如圖2所示。為與實驗結果[20]進行對比，依據表1選取主要參數。

圖2 垂直軸風力機幾何模型Fig.2 Geometric model of VAWT

表1 垂直軸風力機主要參數Tab.1 Main parameters of VAWT

1.3 尾緣射流方法及模型

吹氣射流是一種射流強度可觀、實用性較強且應用廣泛的射流方法[21]。本文采用定常吹氣實現風力機尾緣射流，結構裝置如圖3所示。氣體從葉尖吸入透平式壓縮機，由葉輪壓縮后流入儲氣室再經管道從尾緣射流孔處射出。當風力機發生流動分離時，通過葉片表面壓力傳感器將信號傳入壓縮機的控制系統，進而結合管道特性調節壓縮機功率，實現以40 m/s勻速吹氣射流。由于所需氣流具有連續穩定、流速較高且流量較小等特點，故選用透平式壓縮機。裝置中儲氣室不僅可以降低壓縮空氣中的水分，平穩管道壓力，還可以存儲一定量的臨時氣體以便在突發故障時做應急使用。

圖3 吹氣射流裝置Fig.3 Device of blowing jet

圖4為尾緣射流孔的局部放大圖，射流孔中心距翼型尾緣水平距離為D(0.003c)，射流孔徑寬為L(0.002c)，射流速度為v(40 m/s)。射流角度φ定義為翼型弦線與過尾緣中點且垂直于尾緣的直線夾角，由于尾緣邊界幾何參數的限制，φ取-20°到20°之間，且定義射流吹向風輪內側為負值，相反為正值。

圖4 尾緣射流孔位置及參數Fig.4 Position and parameters of trailing edge jet slot

1.4 計算域網格及計算方法

計算域拓撲結構如圖5所示，流場計算域被劃分為內流域、旋轉域及外流域。其中,外流域由半徑為10R的半圓形區域和長為20R的長方形區域組成，內流域和旋轉域半徑分別為0.58R與1.36R。各計算域及翼型附近網格劃分如圖6所示。

將進口AC邊界設置為速度入口，來流風速為9 m/s；出口BD邊界設置為壓力出口，相對壓力為0 Pa；外流域AB、CD兩邊界設置為wall；其余邊界條件為interface。Transition-SST湍流模型在工程需求中應用廣泛，且可較為準確地反應宏觀流動現象，故選擇Transition-SST作為湍流計算方法。使用壓力基求解器耦合求解動量方程與連續性方程，為節省計算資源，提高計算穩定性，采用SIMPLE算法，二階迎風離散格式，收斂誤差為10-6。

圖5 計算域拓撲結構Fig.5 Topological structure of computational domain

(a)外流域網格 (b)旋轉域網格

1.5 湍流模型與網格無關性驗證

如圖7所示為不同湍流模型的實驗對比驗證。由圖7可知，無論是在高尖速比還是低尖速比時，采用Transition-SST湍流模型均能較為準確地計算出所對應的風能利用系數(CP)，其中在λ=3.1時，實驗數據[20]與模擬值誤差最小，為0.49%，其他尖速比時誤差最大不超過5%。因此，本文針對尾緣射流式VAWTs采取的Transition-SST湍流模型合理且可信。

圖7 湍流模型驗證Fig.7 Verification of turbulence model

表2給出了5種不同密度的計算域網格。由于本文主要針對翼型附近網格進行驗證，且需要良好的網格過渡性，所以在翼型網格密度增大的同時旋轉域網格數量也隨之增多。選取并驗證λ=2.63時翼型周圍網格數，由表2可知，當網格為G3、G4和G5時，CP的計算偏差很小，并且G5總網格數量是G4的3倍，而計算得到的CP卻十分接近，因此綜合考慮計算精度與計算資源，選用G4網格用于本文的模擬計算。

表2 網格分布參數Tab.2 Parameter of grid distribution

2 計算結果與分析

圖8為不同射流角度下風能利用系數曲線。由圖8可知，無射流與有尾緣射流式垂直軸風力機CP曲線變化趨勢基本相同，且最佳尖速比均在2.63左右。在較小尖速比時(1.68以下)，-20°射流角度對CP的提升效果優于-10°;而隨尖速比逐漸增加，射流角度為-10°的風力機CP接近并超過-20°。因此，增加尾緣負射流角度對CP的影響并不具有線性關系。除λ=1.68、3.30外，10°射流風機的CP優于20°射流風力機的CP，其他尖速比時，10°和20°射流CP基本接近，故增加尾緣正射流角度對CP幾乎沒有影響。整體上，在尾緣射流角度為0°時的CP明顯低于其他射流角度的CP；隨尖速比增加，不同射流角度在提升CP能力方面都表現出積極效果，當達到最佳尖速比附近時，0°射流對CP提升效果可達5%左右，其他射流角度提升作用更加明顯可到11%左右。在較高尖速比時(大于2.63)，雖然射流式垂直軸風力機CP逐漸降低，但仍高于無射流情況。這說明尾緣射流通過對翼型吸力面邊界層提供更多動能，增強葉片表面流體再附著能力，有效抑制流動分離，進而提升風力機氣動性能。

圖9為無射流與尾緣射流式垂直軸風力機整機力矩系數(Cm)的變化曲線，所有曲線均呈現出周期性變化。由圖9(a)可知，在λ=1.68時，無射流風力機的Cm峰值小于除0°射流外所有尾緣射流，且隨射流角度的增加，Cm提升效果更為顯著；λ=2.63時所有射流方式都對Cm有提升效果且在整個周期內均優于無射流情況，此時CP基本可以提升10%左右，但射流角度為0°時，平均力矩系數與其他角度相比提升較小，因此CP在最佳尖速比附近提升效果僅為5%左右；圖9(c)是λ=3.3時不同射流角度的Cm曲線，在整個運行周期內，0°射流角度出現Cm最小值，-20°射流出現最大值，但此時不同射流角度的風力機Cm變化范圍基本一致。整體上在λ=1.68時，Cm波動幅度較大，λ=2.63、3.30時，不同射流角度Cm波動幅度較小，但周期性表現上略有差異。在較低尖速比時，尾緣射流角度從-20°增加至20°，除0°射流外Cm均逐漸提高，其中10°射流對Cm提升效果最好。在較高尖速比時，尾緣射流在射流角度從-20°至20°，Cm基本沒有變化，此過程Cm對射流角度的敏感程度較低，即尾緣射流對力矩系數影響較小。

圖8 不同射流角度下的風能利用系數Fig.8 Wind power coefficient with different angles of trailing edge jet

(a)λ=1.68

(a)λ=1.68

圖11 不同方位角時單葉壓力云圖Fig.11 Single blade pressure contour of different azimuth angles

圖12給出了λ=2.63時，0°與10°尾緣射流式垂直軸風力機葉片旋轉一周內不同方位角的繞流場流動細節，并與無射流風力機進行對比分析。由圖12可見，無射流風力機整機流場存在較大尺度的脫落渦，并且在多個相位角處都發生了旋渦從翼型吸力面直接產生并脫落的現象。由于垂直軸風力機動態尾跡效應，旋轉過程中某一葉片會受到來自其他葉片尾流脫落渦或其他周期未耗散的尾渦干涉，這將導致流場中流動的非線性增強，氣動載荷分布不均勻及轉矩輸出不穩定，進而使風力機氣動性能、結構應力等受到嚴重影響。由圖12還可觀察到，0°與10°射流對風力機整機氣動性能均有改善效果，但流場結構及旋渦運動也存在明顯差異。10°射流可有效減弱翼型尾流脫落渦強度，縮小渦結構，削弱同一周期內尾流對下游翼型的干涉影響，并使上一周期翼型拖曳尾渦耗散更迅速，故整機渦斑區也明顯減小，作用效果優于0°射流。通常葉片大范圍流動分離會造成升阻比降低并致使風力機整體氣動性能下降，此外還會導致非穩定的渦脫落，造成葉片受載更為復雜。合理角度的尾緣射流不僅會延緩流動分離，還會對動態尾跡效應產生良好的控制作用，使脫落渦與葉片撞擊頻率和強度減小，進而提高風力機的整機效率及運行穩定性。

圖12 不同方位角時整機渦量云圖Fig.12 Whole vorticity contour of different azimuth angles

5 結 論

本文將NACA0021作為原始翼型，以原始翼型為基礎在尾緣處添加射流裝置構成尾緣射流式垂直軸風力機。通過數值模擬方法計算相關氣動參數，并分析不同射流角度對風力機葉片附近流場影響，數值模擬結論如下：

1)無射流與尾緣射流式垂直軸風力機風能利用系數變化趨勢基本相同，最佳尖速比均在2.63左右。在較大尖速比時所有角度射流對風能利用系數均有提高作用，其中10°射流式垂直軸風力機可提高約11%，而0°射流最低也提升5%左右。

2)在低尖速比時，10°射流角度對垂直軸風力機整機力矩系數的提升效果較為明顯，0°射流對力矩系數大小幾乎沒有影響；在較高尖速比時，整機力矩系數大小對射流角度敏感程度較低，射流角度僅在力矩系數周期性上略有影響；在最佳尖速比時，10°射流可有效減小渦核尺度與渦間距，對風力機尾跡控制效果優于0°射流。

3)隨尖速比逐漸增加，前半周期單葉力矩系數趨勢逐漸趨于一致，均是先增至峰值后逐漸降低至最小值；后半周期在任何射流角度下單葉力矩曲線均比較平緩，無較大范圍波動。當風力機處于最佳尖速比時，在前半周期10°射流式垂直軸風力機氣動性能優于-10°的，而后半周期恰好相反。