Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪 泉, 王環(huán)均, 楊書益, 王馮云

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430068)

Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)具有低風(fēng)速下自啟能力強(qiáng)、無需考慮對(duì)風(fēng)損失等優(yōu)點(diǎn),它的缺點(diǎn)也十分明顯,如工作速比范圍很小、風(fēng)能利用率較低。為提高風(fēng)能利用率,更好地利用Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)自身的優(yōu)勢,國內(nèi)外學(xué)者從各種幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、導(dǎo)流裝置等對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響進(jìn)行了研究。李巖[1]等以重疊比為研究對(duì)象,利用PIV測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)Savonius風(fēng)力機(jī)葉片之間存在適當(dāng)?shù)闹丿B比時(shí),可以提高Savonius型風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)起動(dòng)性能。王偉[2]等提出一種雙側(cè)外形不同的葉輪方案,并對(duì)雙側(cè)外形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)的Savonius葉輪,優(yōu)化風(fēng)輪的發(fā)電效率提高了7.17%。Irabu[3]等發(fā)現(xiàn)通過應(yīng)用導(dǎo)向葉片,Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能可以提高約50%。上述研究很少分析葉型不同對(duì)風(fēng)能利用率的影響,且并沒有提出一種通用的函數(shù)表達(dá)回旋式Savonius垂直軸風(fēng)力機(jī)葉型,通過函數(shù)系數(shù)的優(yōu)化得到性能俱佳的垂直軸風(fēng)力機(jī)。因此,本文以回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪主體為研究對(duì)象,提出基于正弦三角函數(shù)的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉型廓線表達(dá)方法,并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)出兩種新型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉型,最后通過功率系數(shù)和力矩系數(shù)展現(xiàn)優(yōu)化葉型對(duì)性能的改善程度,并通過壓力分布、速度分布和渦量分布這3個(gè)方面的流場分析探討其優(yōu)化原理。

1 Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)建模

1.1 CFD二維模型建立

如圖1所示,參照Sheldahl[4]等進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)物模型,建立回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)二維模型。模型的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖1 回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)模型

表1 回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)模型參數(shù)

由于垂直轉(zhuǎn)軸對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的影響微乎其微,故最終風(fēng)力機(jī)計(jì)算域簡化模型如圖2所示,風(fēng)力機(jī)計(jì)算域大小為35R×20R(R為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑)。將計(jì)算域分為中心旋轉(zhuǎn)區(qū)域和遠(yuǎn)場靜止區(qū)域,A表示靜止區(qū)域,B表示旋轉(zhuǎn)區(qū)域。旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的邊界為交界面,能實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬過程中旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域之間數(shù)據(jù)傳遞[5]。設(shè)定圖2中風(fēng)輪方位角θ為0,葉片按空間位置分布,即風(fēng)輪所處方位角的變化分為兩個(gè)部分:前進(jìn)葉片(180°≤θ≤360°)和回轉(zhuǎn)葉片(0≤θ≤180°)。

圖2 計(jì)算域

1.2 網(wǎng)格劃分

由于葉片形狀是兩個(gè)對(duì)稱的半圓形,葉片周圍的網(wǎng)格劃分很難采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,因此在靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,針對(duì)旋轉(zhuǎn)區(qū)域則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格如圖3a所示,旋轉(zhuǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3b所示,葉片邊界層附近網(wǎng)格劃分如圖3c所示,靜止區(qū)域與旋轉(zhuǎn)區(qū)域交界面處的網(wǎng)格劃分如圖3d所示。由于計(jì)算的是瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)問題,靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須考慮,非定常的相互作用不可忽略,可以采用滑移網(wǎng)格或者動(dòng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場耦合求解。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

1.3 湍流模型與求解器設(shè)置

本文選擇剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω模型來模擬湍流,對(duì)近壁面區(qū)域的邊界層進(jìn)行了增強(qiáng)處理;選擇壓力基求解器,使得求解更穩(wěn)定,收斂更快速。為了提高計(jì)算效率計(jì)算精度,采用工程常用的SIMPLE算法,離散格式為二階迎風(fēng)(Second-order-upwind)[5]。

1.4 計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

如圖2所示,根據(jù)文獻(xiàn)[3]的計(jì)算模型邊界條件設(shè)置?？紤]到垂直軸風(fēng)力機(jī)適合在較高速狀態(tài)下運(yùn)行,具有較為穩(wěn)定良好的性能,在14 m/s的風(fēng)速時(shí),垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率較高,將計(jì)算域左邊設(shè)為速度入口(velocity-intlet),來流風(fēng)速大小為14 m/s,方向從左到右,湍流強(qiáng)度為1%。右邊設(shè)為壓力出口(Pressure-outlet),因兩個(gè)葉片相同,載荷和邊界條件對(duì)稱,為了減少計(jì)算量,上下邊設(shè)為對(duì)稱邊界(Symmetry)。旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域的交界處設(shè)置為交界面(Interface),便于數(shù)值模擬時(shí)旋轉(zhuǎn)區(qū)域與靜止區(qū)域之間的數(shù)據(jù)傳遞。葉片邊界設(shè)置為移動(dòng)壁面(Moving-wall,no-slip),葉片近壁面處邊界層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間隔寬度設(shè)置為0.1 mm,初始高度設(shè)為0.05 mm,增長率為1.2,共10層[6]。

1.5 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

本文建立3種不同網(wǎng)格密度的計(jì)算域網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量分別為64 W、84 W和102 W。在葉尖速比為0.9下,3種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型經(jīng)數(shù)值計(jì)算后,得到力矩系數(shù)曲線如圖4所示。經(jīng)計(jì)算得出64 W、84 W和102 W網(wǎng)格數(shù)量對(duì)應(yīng)的平均力矩系數(shù)分別為0.283、0.2761和0.2758。從圖4中可以看出64 W網(wǎng)格的力矩系數(shù)曲線與其他兩套網(wǎng)格相差較大,而84 W網(wǎng)格和102 W網(wǎng)格的力矩系數(shù)曲線幾乎重合, 其平均力矩系數(shù)差值小于1%。此外,因102 W網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)長要遠(yuǎn)多于84 W網(wǎng)格,考慮到計(jì)算時(shí)長的因素,選擇84 W網(wǎng)格作為后續(xù)風(fēng)力機(jī)功率的計(jì)算。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)量下單個(gè)葉片力矩系數(shù)曲線

2 葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 葉型優(yōu)化

普通型Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的SIN1型和雙圓弧形葉型均在不同方面性能優(yōu)于傳統(tǒng)半圓形葉片。為了結(jié)合這兩種葉型的優(yōu)勢,采用復(fù)合正弦三角函數(shù)表達(dá)類似雙圓弧結(jié)構(gòu)的葉型(簡稱SIN2型)

本文進(jìn)一步提出一種采用正弦三角函數(shù)表達(dá)回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片葉型廓線的參數(shù)化方法,因?yàn)檠芯繉?duì)象是回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉型,重疊比e大于0出現(xiàn)重疊部分,此時(shí)的SIN1型和SIN2型的數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)為分段函數(shù),以原點(diǎn)呈對(duì)稱分布。優(yōu)化葉型表達(dá)式如下:

參照Sandi[7]風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)物模擬的主要幾何參數(shù),構(gòu)建符合條件的回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)SIN1型和SIN2型的風(fēng)輪轉(zhuǎn)子簡化模型。在構(gòu)建SIN2型的二維轉(zhuǎn)子模型時(shí),需要使用軟件MATLAB按照優(yōu)化葉型表達(dá)式計(jì)算參數(shù)ai、bi和ci,并通過細(xì)微調(diào)整優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)當(dāng)i為3時(shí),能夠擬合得到一條形狀類似雙圓弧結(jié)構(gòu)的復(fù)合正弦三角函數(shù)模型。參照Sandi風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù),得到的優(yōu)化參數(shù)ai、bi和ci比較準(zhǔn)確。因?yàn)榉侄魏瘮?shù)的兩部分(即前進(jìn)葉片和回轉(zhuǎn)葉片)以原點(diǎn)對(duì)稱,只需要計(jì)算出一部分的參數(shù)即可。以前進(jìn)葉片為例,當(dāng)i=1時(shí),得到符合條件的優(yōu)化葉型SIN1型的簡化模型(圖5a);當(dāng)i=3時(shí),得到優(yōu)化葉型SIN2型(圖5b)。計(jì)算所得到的SIN1型和SIN2型的具體參數(shù)見表2和表3。

圖5 三角函數(shù)表達(dá)葉型的簡化模型

表2 SIN1型參數(shù)

表3 SIN2型參數(shù)

2.2 葉型優(yōu)化結(jié)果

對(duì)SIN1型和SIN2型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并分析其結(jié)果,再通過與半圓形葉型對(duì)比來驗(yàn)證優(yōu)化葉型的優(yōu)越性。由于葉片形狀的不同,不同葉型經(jīng)網(wǎng)格劃分得到的網(wǎng)格數(shù)量并不會(huì)相同。為忽略網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響,選擇網(wǎng)格數(shù)量在范圍為80～90 W均可。將符合條件的mesh文件導(dǎo)入軟件FLUENT中進(jìn)行求解。為避免時(shí)間步長對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,選擇旋轉(zhuǎn)0.5°為一個(gè)時(shí)間步長。計(jì)算收斂后在第7周期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),故計(jì)算數(shù)據(jù)均選自第7周期。

Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的平均功率系數(shù)可以反映風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在多個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率,是衡量垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電性能的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。接下來針對(duì)不同葉尖速比下改進(jìn)葉型的Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)平均功率系數(shù)的改善進(jìn)行討論,兩種新型葉型和傳統(tǒng)半圓形葉型的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的平均功率系數(shù)曲線如圖6所示,倒三角表示的是Sheldahl[4]進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)所得出的功率系數(shù)曲線,正方形、圓形和正三角分別表示傳統(tǒng)半圓形、SIN1型和SIN2型經(jīng)過CFD數(shù)值計(jì)算得出的風(fēng)力機(jī)平均功率系數(shù)曲線。由于CFD數(shù)值計(jì)算半圓形葉型的平均功率系數(shù)時(shí)做了簡化處理,計(jì)算的風(fēng)能利用率比試驗(yàn)值大,從圖中可以看出,相同葉型的半圓形與試驗(yàn)值相比,其風(fēng)輪平均功率系數(shù)曲線變化趨勢相同而數(shù)值整體偏大。不同葉型風(fēng)輪對(duì)應(yīng)的平均功率系數(shù)隨葉尖速比的增大都是呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,但是曲線數(shù)值變化上的差異性較大。從整體上看,SIN1型的性能略優(yōu)于半圓形葉型,SIN2型風(fēng)輪的平均功率系數(shù)遠(yuǎn)大于SIN1型和半圓形葉型。當(dāng)葉尖速比較小時(shí)(0.6≤λ≤0.9),優(yōu)化葉型SIN1型和SIN2型風(fēng)輪的平均功率系數(shù)均小于半圓形葉型。

圖6 不同葉尖速比下的的平均功率系數(shù)

可以明顯看出,SIN2型風(fēng)輪的最大平均功率系數(shù)最大,出現(xiàn)在λ=1.3時(shí)值為0.283,增長值為0.061,增長率為27.5%,較傳統(tǒng)半圓形風(fēng)輪的最大平均功率系數(shù)0.244,增長了0.039,大約提升了16%。當(dāng)0.6≤λ<0.8時(shí),SIN2型風(fēng)輪的平均功率系數(shù)略低于傳統(tǒng)半圓形;當(dāng)0.8≤λ≤1.4時(shí),其風(fēng)輪平均功率系數(shù)高于傳統(tǒng)半圓形,并且增長值隨著葉尖速比的增大而提高;當(dāng)λ=1.4時(shí),增長率高達(dá)39%;在較高速運(yùn)轉(zhuǎn)(1.3≤λ≤1.8)時(shí),風(fēng)力機(jī)仍然保持較高的平均功率系數(shù),甚至是在λ=1.8時(shí),其平均功率系數(shù)值都保持在較高水平上。

力矩系數(shù)直接決定了功率系數(shù)的大小,平均力矩系數(shù)表示風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在多個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的風(fēng)力機(jī)輸出力矩能力的系數(shù)。圖7展示的是不同葉尖速比下葉片上的平均力矩系數(shù)曲線,倒三角表示的是根據(jù)參考風(fēng)洞試驗(yàn)功率系數(shù)計(jì)算出來的力矩系數(shù)曲線,正方形、圓形和正三角分別表示傳統(tǒng)半圓形、SIN1型和SIN2型經(jīng)過CFD仿真計(jì)算出來的葉片平均力矩系數(shù)曲線。從圖中可以看出,各葉型葉片平均力矩系數(shù)的變化大致相同,都呈現(xiàn)出隨葉尖速比增大而降低的趨勢。相對(duì)其他葉型,SIN2型葉片的平均力矩系數(shù)曲線顯得更加平緩。

圖7 不同葉尖速比下的葉片平均力矩系數(shù)

3 流場特性分析

3.1壓力分布

圖8展示了傳統(tǒng)半圓形、SIN1型和SIN2型在葉尖速比為1.3時(shí)風(fēng)輪附近的壓力分布云圖。從整體趨勢上分析,當(dāng)方位角θ=0°時(shí),最大壓力出現(xiàn)在前進(jìn)葉片的葉尖位置附近;隨著風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn),最大壓力出現(xiàn)的位置轉(zhuǎn)移到回轉(zhuǎn)葉片凸側(cè)附近;最后當(dāng)方位角為180°時(shí),回轉(zhuǎn)葉片變?yōu)榍斑M(jìn)葉片,最大壓力又回到前進(jìn)葉片的葉尖處。前進(jìn)葉片的凸側(cè)和回轉(zhuǎn)葉片的凹側(cè)均受到較大的負(fù)壓,而這些負(fù)壓在數(shù)值上均大于最大壓力,兩個(gè)葉片凹凸側(cè)壓力差的大小不同,使得轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生力矩為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)提供了轉(zhuǎn)矩。優(yōu)化葉型SIN2型的負(fù)壓范圍更大,且其回轉(zhuǎn)葉片的凸側(cè)最大壓力范圍也更大,造成的壓力差就更大,也使得SIN2型轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩更大。當(dāng)方位角θ=90°時(shí),回轉(zhuǎn)葉片的凹側(cè)和前進(jìn)葉片凸側(cè)靠近葉尖處的負(fù)壓較大,回轉(zhuǎn)葉片凹側(cè)的負(fù)壓只有分布范圍的區(qū)別,而數(shù)值大小的范圍相同,3個(gè)葉型前進(jìn)葉片凸側(cè)靠近葉尖處的負(fù)壓大于1070 Pa的范圍大小排序?yàn)?SIN2型>SIN1型>半圓形?？梢悦黠@看出,SIN2型前進(jìn)葉片葉尖處的負(fù)壓最大,SIN1型其次,而傳統(tǒng)半圓形葉型最小。

圖8 λ=1.3下的壓力分布云圖

為了更好地分析葉片上壓力分布的影響,建立壓力系數(shù)C-P分布散點(diǎn)圖。如圖9所示,實(shí)線、劃線和點(diǎn)線分別代表SIN2型、半圓形和SIN1型葉片上的壓力系數(shù)分布散點(diǎn)曲線。由圖9可見,無論方位角如何變化,SIN2型前進(jìn)葉片處壓力系數(shù)的上部分推力側(cè)曲線略低于半圓形,而下部分吸力側(cè)曲線則遠(yuǎn)低于半圓形,推力側(cè)與吸力側(cè)的差值大于半圓形。在回轉(zhuǎn)葉片處,隨著方位角的增大,SIN2型推力側(cè)和吸力側(cè)曲線均呈現(xiàn)出,從低于半圓形到高于半圓形最后又低于半圓形的變化趨勢,即在負(fù)壓較大的葉片凹側(cè), SIN2型前進(jìn)葉片處的負(fù)壓值和壓差大小明顯大于半圓形葉型。而在回轉(zhuǎn)葉片處, SIN2型葉片凹側(cè)的負(fù)壓值不總是大于半圓形葉型,壓差大小沒有過于明顯的差距。優(yōu)化葉型SIN2型葉片整體上受到的壓差更大,風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩也就更大,相應(yīng)的功率系數(shù)也就更大。

圖9 λ=1.3下的壓力系數(shù)分布散點(diǎn)圖

3.2 速度分布對(duì)比分析

對(duì)風(fēng)輪及周圍的流場速度分布進(jìn)行分析,有助于進(jìn)一步了解風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)態(tài)失速的特性。動(dòng)態(tài)失速是一種隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的氣流分離和失速現(xiàn)象,主要包括流體在葉片邊界層與吸力側(cè)表面的分離,以及隨后被卷入葉尖的過程,常在非定常運(yùn)動(dòng)中發(fā)生,可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件疲勞和結(jié)構(gòu)失效[9]。動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象是垂直軸風(fēng)力機(jī)氣流的主要特征,是導(dǎo)致其發(fā)電效率低的主要因素之一。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法,計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),在葉尖速比較低時(shí),風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性受到葉片失速現(xiàn)象嚴(yán)重[10]。圖10中展示的是葉尖速比為1.3時(shí)的速度分布云圖。該葉尖速比下的功率系數(shù)最大,氣動(dòng)性能最好,葉片產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象相對(duì)較弱,但是在葉片附近還是能明顯看到渦旋分離。從整體上分析,氣流在葉片邊界層的分離主要發(fā)生在葉根處、前進(jìn)葉片的葉尖處和回轉(zhuǎn)葉片的凸側(cè);隨葉片旋轉(zhuǎn),前進(jìn)葉片葉尖處形成的渦旋逐漸脫落匯入下游尾流,葉根處的渦旋只有少量渦脫落匯入回轉(zhuǎn)葉片葉尖處,而回轉(zhuǎn)葉片凸側(cè)的渦旋在逐漸分離過程中形成一道渦旋軌跡。可以明顯看出,相比于半圓形葉型,優(yōu)化葉型SIN2型的前進(jìn)葉片葉尖處產(chǎn)生的分離現(xiàn)象較小,葉根處也沒有明顯的渦脫落現(xiàn)象,回轉(zhuǎn)葉片葉尖處的渦旋軌跡更為連貫,產(chǎn)生的渦脫落現(xiàn)象減弱。SIN2型渦旋軌跡更為連貫,脫落的渦量與SIN1型大致相同,但葉根處的渦旋還存在有少量渦脫落現(xiàn)象。SIN2型較為明顯地減少了渦旋的脫落,有效改善了動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象。

圖10λ=1.3下的速度分布云圖

3.3 渦量分布對(duì)比分析

渦量是描述渦旋運(yùn)動(dòng)最重要的物理量之一,即流體速度矢量的旋度,可以用來度量渦旋的強(qiáng)度和方向。圖11展示的是3種葉型風(fēng)力機(jī)在葉尖速比為1.3時(shí)的渦量分布情況。從圖中可以看出,渦旋源主要位于前進(jìn)葉片凸側(cè)葉尖處和回轉(zhuǎn)葉片凹側(cè)的葉根處。當(dāng)方位角為60°時(shí),新渦旋產(chǎn)生,接著隨風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn),渦旋慢慢從葉片脫離;當(dāng)旋轉(zhuǎn)至方位角為180°時(shí),前進(jìn)葉片處的渦旋從右下方分離;當(dāng)方位角為30°時(shí),上一個(gè)周期的回轉(zhuǎn)葉片上形成的渦旋分離。由于旋轉(zhuǎn)區(qū)域是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),渦旋在脫離過程中,都會(huì)有一部分隨風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生尾流,而這部分尾流在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)重新融入回轉(zhuǎn)葉片上方的渦旋中。與圖10a中的半圓形葉型相比較,圖10b中的SIN1型和圖10c中的SIN2型前進(jìn)葉片的凹側(cè)存在較大范圍的渦,回轉(zhuǎn)葉片凹側(cè)的渦旋范圍也更大,尤其是SIN2型更加明顯。不同于SIN1型回轉(zhuǎn)葉片處的渦旋在凹側(cè)靠近葉根位置,SIN2型回轉(zhuǎn)葉片葉根處的渦旋在凸側(cè),凹側(cè)中心位置也存在更明顯且范圍更大的渦旋,而且在前進(jìn)葉片凸側(cè)的葉根處渦旋也特別明顯。從以上的分析來看,在整旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),優(yōu)化葉型SIN2型的葉片凹側(cè)始終保留有大范圍且渦量較大的渦旋,這意味著優(yōu)化葉型有效減少了渦分離帶來的力矩?fù)p失。

圖11λ=1.3下的渦量分布云圖

4 結(jié)論

本文以回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪主體為研究對(duì)象,提出了采用三角函數(shù)的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)葉型,并成功得到了優(yōu)化葉型。通過對(duì)比分析傳統(tǒng)半圓形葉型和優(yōu)化葉型在風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪功率系數(shù)、力矩系數(shù)以及風(fēng)輪在計(jì)算收斂后的旋轉(zhuǎn)過程中速度分布、壓力分布和渦量分布情況,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化葉型有效提高了回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率。對(duì)回旋式Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究中,得到了如下主要結(jié)論。

1)從整體上看,SIN1型的性能要略強(qiáng)于半圓形葉型,而SIN2型的性能遠(yuǎn)強(qiáng)于SIN1型和半圓形葉型。從Savonius型垂直軸風(fēng)力機(jī)的平均功率系數(shù)、平均力矩系數(shù)來分析3種葉型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。通過對(duì)比傳統(tǒng)半圓形葉型與優(yōu)化葉型SIN1型和SIN2型,發(fā)現(xiàn)SIN1型只是在較大葉尖速比情況下優(yōu)于半圓形葉型,而SIN2型的氣動(dòng)性能最優(yōu),且在葉尖速比為1.3時(shí)功率系數(shù)最大。最后,在壓力分布、速度分布和渦量分布這三個(gè)方面,對(duì)比分析3種葉型風(fēng)輪的流場特性,從而印證了優(yōu)化葉型SIN2型的性能優(yōu)越性。

2)在來流風(fēng)速為14 m/s的環(huán)境中,當(dāng)葉尖速比為1.3時(shí),優(yōu)化葉型SIN2型風(fēng)輪的功率系數(shù)最大,較半圓形葉型風(fēng)輪的最大功率系數(shù)增長了0.039,提升了約16%,并且在葉尖速比高達(dá)1.8時(shí),仍然保持優(yōu)較高的功率系數(shù)。

3)相比于半圓形葉型,優(yōu)化葉型SIN2型的葉片受到的壓差更大,風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩更大;渦旋分離現(xiàn)象減弱,動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象有所改善;渦量流失較小,葉片上的力矩?fù)p失有所降低。