基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的聚風(fēng)裝置流場(chǎng)特性數(shù)值研究

徐愷，黃成，黃家庚

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，但目前采用的葉片式風(fēng)電機(jī)對(duì)低風(fēng)速不敏感，有效工作風(fēng)速在5.2 m/s以上[1]。文獻(xiàn)[2]提出了一種管道式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，命名為INVELOX，該類(lèi)管道式風(fēng)能采集裝置不需要安裝渦輪機(jī)塔。

為了提高INVELOX系統(tǒng)工作效能，減小損失，研究人員嘗試了多種減小溢出的方法。為了提高INVELOX的氣動(dòng)性能，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了新型窗簾式結(jié)構(gòu)，并對(duì)兩種簾式結(jié)構(gòu)和它們的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，采用延長(zhǎng)導(dǎo)流板的簾式結(jié)構(gòu)對(duì)INVELOX系統(tǒng)中流速比（SR）有明顯提高。文獻(xiàn)[4]研究了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)INVELOX氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)氣口投影面積和文丘里管橫截面積之比為33.6時(shí)達(dá)到最佳比，此時(shí)采用6.7 m/s作為流場(chǎng)風(fēng)速時(shí)，SR值最大，約為1.7。文獻(xiàn)[5，6]通過(guò)安裝單臺(tái)、雙臺(tái)和三臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電學(xué)輸出進(jìn)行性能測(cè)試，得出相同條件下每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出電壓和功率，證明了渦輪機(jī)數(shù)量對(duì)總功率的非線性影響；與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)相比，由于無(wú)需額外基礎(chǔ)設(shè)施，安裝多臺(tái)機(jī)組對(duì)使用成本沒(méi)有顯著提高。為解決INVELOX出口氣流受自然風(fēng)的阻礙，文獻(xiàn)[7]采用CFD方法對(duì)INVELOX風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)改變出口氣流方向減小出口氣流受自然風(fēng)的阻礙。上述研究對(duì)INVELOX系統(tǒng)有很大改進(jìn)，增強(qiáng)了對(duì)風(fēng)的俘獲效率，但要實(shí)現(xiàn)真正意義的全方向風(fēng)能俘獲，不僅要對(duì)不同夾角的水平來(lái)流風(fēng)向進(jìn)行流場(chǎng)分析，還需要對(duì)系統(tǒng)的工作風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定，以及對(duì)來(lái)流風(fēng)向與水平面成一定傾斜角時(shí)流場(chǎng)、不同工況下流場(chǎng)特性及SR值進(jìn)行分析。

本文設(shè)計(jì)了一種小型風(fēng)能采集裝置，采集裝置結(jié)構(gòu)上采用了文獻(xiàn)[3]的簾式結(jié)構(gòu)，采用計(jì)算流體軟件XFlow對(duì)采集裝置進(jìn)行氣動(dòng)性仿真模擬。由于無(wú)網(wǎng)格的格子玻爾茲曼方法可以在很大程度上節(jié)約前處理時(shí)間，并避免因網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的計(jì)算誤差，因此，本文采用無(wú)網(wǎng)格的格子玻爾茲曼方法對(duì)不同水平風(fēng)向和傾斜風(fēng)向下的文丘里管中的平均風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，分析不同夾角下的SR值，確定其滿足工作要求的風(fēng)向角度。最低工作風(fēng)速是此類(lèi)裝置在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中得到應(yīng)用的關(guān)鍵因素，風(fēng)速為2～5 m/s的地區(qū)約占我國(guó)風(fēng)能資源的85%，INVELOX系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速要求較低，可廣泛應(yīng)用于低風(fēng)速區(qū)域的風(fēng)能采集。

1 風(fēng)采集裝置模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的采集裝置模型在三維制圖軟件UG12.0中以彎管上端圓中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行建模，為方便在XFlow中對(duì)模型進(jìn)行幾何變換，將該采集裝置（圖1）分為上、下兩個(gè)部分，上部分由聚風(fēng)錐管、凸臺(tái)和導(dǎo)流板組成，下部分由文丘里管和一段90°彎管組成，將模型保存為.STP格式的三維實(shí)體導(dǎo)入XFlow中進(jìn)行流場(chǎng)分析。

圖1 模型示意圖Fig.1 The sckematic drawing of samples

圖1中，進(jìn)氣口高度為50 mm，上端長(zhǎng)為100 mm，文丘里管工作段外徑為15 mm、內(nèi)徑為14 mm，整個(gè)裝置所有薄壁厚度均為0.5 mm。該采集裝置進(jìn)風(fēng)口面積與文丘里管工作段截面積之比為32.48，與文獻(xiàn)[3]中的最佳比值33.6十分接近，有利于對(duì)環(huán)境中風(fēng)的采集。

1.2 數(shù)值模型

傳統(tǒng)CFD通過(guò)有限元和有限體積法求解納維-斯托克斯方程得到流場(chǎng)信息。本文采用的XFlow軟件是基于格子玻爾茲曼方程模型，描述的流體粒子具有一定的離散速度，其分布函數(shù)為在固定的方格上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。該方程通常由流體粒子基于分布函數(shù)的演化方程、格子結(jié)構(gòu)及離散速度集合3部分構(gòu)成。在具有離散速度的連續(xù)空間介質(zhì)中，格子玻爾茲曼方程[8]為

式中：fi為粒子密度分布函數(shù)；ei為沿格子方向的速度；Ωi為碰撞作用算子；n為該LBM模型的不同格子速度總數(shù)。

Xflow軟件采用D3Q27模型進(jìn)行計(jì)算，其中3表示維度，27表示該模型有27個(gè)速度向量。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為避免分辨率設(shè)置使網(wǎng)格數(shù)量不同帶來(lái)的計(jì)算誤差，本文采用0.04，0.05 m和0.06 m 3種不同的遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率，加密方法采用近壁面自適應(yīng)格子加密及尾流加密，近壁面分辨率為遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率的1/16倍。在來(lái)流風(fēng)速為6 m/s的風(fēng)場(chǎng)，3組不同分辨率的文丘里管中的平均速度如表1所示。

表1 3組分辨率參數(shù)Table 1 Three sets of resolution parameters

由表1可知，3組網(wǎng)格下文丘里管內(nèi)速度變化差別不大，特別是中等和精細(xì)分辨率等級(jí)下的平均速度基本相同。在保證精度條件下，為節(jié)約計(jì)算成本，采用中等分辨率等級(jí)作為后續(xù)計(jì)算依據(jù)。其中遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率為0.05 m的文丘里管內(nèi)的速度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 分辨率為0.05 m時(shí)速度隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Speed vs.time when the resolution is 0.05 m

2.2 對(duì)比驗(yàn)證

為進(jìn)一步證實(shí)仿真可靠性，本文采用的物理模型和入口流速與文獻(xiàn)[3]基本保持一致，并進(jìn)行對(duì)比仿真驗(yàn)證。設(shè)置入口流速為6.7 m/s，創(chuàng)建Custom field自定義函數(shù)，并設(shè)置Custom field函數(shù)為流速比，即：

本文采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)，由式（2）得到的SR約為1.78，計(jì)算結(jié)果相較于文獻(xiàn)[3]有小幅提高。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在凸臺(tái)最下方進(jìn)風(fēng)口處以及下方聚風(fēng)錐管周?chē)娘L(fēng)速分布略有差異，上方凸臺(tái)母線曲率的不同可能是造成文丘里管內(nèi)SR值較大的原因之一。文獻(xiàn)[9，10]對(duì)造成的原因做了分析和說(shuō)明，比如擴(kuò)散器截面幾何變化、聚風(fēng)錐管線型函數(shù)不確定性等。采集器工作段部分的速度云圖和文丘里管擴(kuò)散器周?chē)鲌?chǎng)特性與文獻(xiàn)[3]基本一致。圖3為本文計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[3]對(duì)稱(chēng)面內(nèi)SR云圖。

圖3 對(duì)稱(chēng)面內(nèi)SR云圖Fig.3 Contrast cloud map for plane of symmetry

2.3 仿真條件設(shè)置

基于格子玻爾茲曼方法的XFlow軟件為用戶提供的虛擬風(fēng)洞可直接將.STP型導(dǎo)入，不需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，預(yù)處理器可以根據(jù)輸入幾何和每個(gè)幾何的分辨率生成原始的八叉樹(shù)晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)渦度達(dá)到閾值時(shí)，網(wǎng)格會(huì)自動(dòng)細(xì)化。因此，需要定義3種分辨率：遠(yuǎn)場(chǎng)分辨率、尾跡分辨率和近壁分辨率[11]。本文選用3d流場(chǎng)，在文丘里管中心軸線位置建立插值點(diǎn)監(jiān)控速度，仿真時(shí)間為5 s，設(shè)置湍流強(qiáng)度為5%，計(jì)算域邊界條件如表2所示。

表2 計(jì)算域邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary setting of the computational domain

針對(duì)XFlow軟件提供的Automatic模型、Smagorinsky模型、Dynamic Smagorinsky（DSM）模型、壁面自適應(yīng)局部渦粘性模型（WALE）等不同湍流模型，以6 m/s作為流場(chǎng)風(fēng)速，計(jì)算不同模型下文丘里管內(nèi)平均速度以及SR比值（表3）。

表3 不同湍流模型下文丘里管內(nèi)平均速度以及SR比值Table 3 The average velocity and SR ratio in the lower turbulence model of different turbulence models

由表3可知，采用Automatic模型作為基準(zhǔn)時(shí)，除Smagorinsky模型外，其它湍流模型的誤差均不超過(guò)5%。依據(jù)軟件用戶手冊(cè)及文獻(xiàn)[12]中類(lèi)似工程模擬，造成Smagorinsky模型誤差較大的原因是，該模型與DSM模型具有較高的渦粘性和各向同性假設(shè)，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壁面附近流體流動(dòng)。WALE模型在靠近和遠(yuǎn)離壁面以及層流和湍流的情況下均具有良好的特性，因此，在之后的計(jì)算中均采用WALE模型進(jìn)行流場(chǎng)分析。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同風(fēng)速下SR值及工作風(fēng)速

為測(cè)定該風(fēng)能采集裝置的工作效率，選取流場(chǎng)風(fēng)速為1.8～6.6 m/s，將此范圍分為16個(gè)流場(chǎng)風(fēng)速，每個(gè)流場(chǎng)風(fēng)速間隔為0.3 m/s。在不同來(lái)流風(fēng)速下對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)特性仿真分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)文丘里管內(nèi)平均風(fēng)速變化，得到不同風(fēng)速場(chǎng)下SR值。對(duì)不同流場(chǎng)風(fēng)速下的SR值進(jìn)行曲線擬合，并求出擬合曲線的斜率曲線，該斜率可以表征采集裝置對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速增強(qiáng)速率的快慢。不同流場(chǎng)風(fēng)速下的SR值、SR值擬合曲線以及擬合曲線的斜率曲線如圖4所示。

圖4 不同流場(chǎng)風(fēng)速下V-SR及SR斜率曲線Fig.4 V-SR value and slope curve under different flow field and wind speed

由圖4可知：當(dāng)流場(chǎng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，SR值在1.03左右，證明此風(fēng)速下該風(fēng)能采集裝置對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速開(kāi)始有增強(qiáng)作用；隨著流場(chǎng)風(fēng)速的增加，文丘里管內(nèi)SR值隨流場(chǎng)風(fēng)速的提高而隨之增大，證明系統(tǒng)對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速的增強(qiáng)效果愈加明顯；由斜率曲線可知，當(dāng)流場(chǎng)風(fēng)速為2.1～4.2 m/s時(shí)，SR增速較大，表明在低風(fēng)速下該裝置增強(qiáng)風(fēng)速的效果更好，當(dāng)流場(chǎng)風(fēng)速達(dá)到5.1 m/s后，SR的增長(zhǎng)速率逐漸放緩，保持在0.2以內(nèi)。

3.2 不同水平風(fēng)向角

為探究風(fēng)向的影響，首先考慮水平方向的來(lái)流風(fēng)。由于在水平方向上，該裝置為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算了水平面內(nèi)流場(chǎng)方向與文丘里管中心軸線夾角α為0～180°時(shí)SR值的變化情況。將該平面內(nèi)流場(chǎng)分為13個(gè)方向，水平夾角風(fēng)向示意圖如圖5所示。

圖5 水平夾角示意圖Fig.5 Schematic diagram of horizontal angle

將0～180°風(fēng)向下的SR值做一個(gè)對(duì)稱(chēng)，即可得到-180～180°（順時(shí)針取正）方向上不同水平風(fēng)向角下的SR值（圖6）。

圖6 不同水平風(fēng)向角下SR值Fig.6 SR values at different horizontal wind direction angles

由圖6可知：當(dāng)水平風(fēng)向夾角為-60～60°時(shí)，SR值均在1.5以上，證明該裝置對(duì)流場(chǎng)中風(fēng)速增強(qiáng)作用較強(qiáng)；當(dāng)夾角繼續(xù)變大，這種增強(qiáng)作用開(kāi)始降低，特別是當(dāng)夾角達(dá)到105°以后，SR值小于1，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中來(lái)流風(fēng)加速的效果，造成該情況的主要原因是文丘里管擴(kuò)散段內(nèi)產(chǎn)生了風(fēng)倒灌，這是此類(lèi)風(fēng)電系統(tǒng)在廣泛應(yīng)用中亟需解決的主要問(wèn)題之一。

3.3 不同傾斜風(fēng)向角

結(jié)合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中風(fēng)可能存在的來(lái)流方向，計(jì)算了來(lái)流風(fēng)向與風(fēng)能采集裝置的水平面傾斜角β取值為0～360°時(shí)不同風(fēng)向的SR值（圖7）。將360 °均勻分為24個(gè)方向，即每個(gè)方向夾角為15°，流場(chǎng)風(fēng)速設(shè)置為6 m/s，不同傾斜角下的SR值如圖8所示。

圖7 傾斜角示意圖Fig.7 Schematic diagram of tilt angle

圖8 不同傾斜角下SR值Fig.8 SR value under different tilt angles

由圖8可知：當(dāng)傾斜角為0 °時(shí)，該采集裝置增速效果最好；當(dāng)傾斜角為0～45 °和315～360 °時(shí)，該裝置對(duì)風(fēng)速有增強(qiáng)作用；當(dāng)來(lái)流風(fēng)向在其它傾斜角度下，SR值小于1，在第三象限內(nèi)的角度下，SR值為負(fù)值。傾斜風(fēng)向下，文丘里管內(nèi)速度有一定幅度的波動(dòng)，特別是在第三象限角度下，其原因是復(fù)雜的，主要是受流場(chǎng)風(fēng)向及流場(chǎng)壓強(qiáng)影響。

針對(duì)影響風(fēng)速變化的主要因素，圖9，10分別給出了傾斜風(fēng)向角為30°和225°時(shí)瞬時(shí)速度矢量圖及瞬時(shí)壓力場(chǎng)云圖。

圖9 瞬時(shí)速度對(duì)比矢量圖Fig.9 Instantaneous speed comparison vector diagram

通過(guò)對(duì)流場(chǎng)特性的對(duì)比分析可知，影響文丘里管內(nèi)SR值變化的原因主要有以下幾點(diǎn)。

①入口風(fēng)向投影面積的影響。當(dāng)傾斜角為0～45°時(shí)，文丘里管內(nèi)風(fēng)速會(huì)隨著入口風(fēng)向投影面積的減小而減小[圖9（a）]，此時(shí)風(fēng)的流向有利于將風(fēng)送入文丘里管內(nèi)，因此在該角度區(qū)間內(nèi)風(fēng)能采集裝置對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速有較高的提升。

②流場(chǎng)風(fēng)向的影響。當(dāng)傾斜角為90～270°時(shí)，隨著傾斜角不斷變大[圖9（b）]，流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)的流向與該裝置原理上出口風(fēng)向相反，流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)的流向不利于風(fēng)從入口處流進(jìn)文丘里管內(nèi)，文丘里管內(nèi)速度小于流場(chǎng)風(fēng)速，當(dāng)傾斜角超過(guò)105°后風(fēng)倒灌，文丘里管內(nèi)SR值為負(fù)值。

③進(jìn)、出口附近壓強(qiáng)的影響。通過(guò)對(duì)圖10瞬時(shí)壓力場(chǎng)分析可知，不同角度下來(lái)流風(fēng)使裝置進(jìn)、出口附近產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)，當(dāng)傾斜角為180～270°時(shí)，由于背風(fēng)面附近風(fēng)的流速快，導(dǎo)致入口處壓強(qiáng)小，迎風(fēng)面出口側(cè)形成高壓區(qū)，在壓力差作用下，風(fēng)從出口處流入，此時(shí)文丘里管內(nèi)風(fēng)向?yàn)榉捶较颍绎L(fēng)速較高。

圖10 瞬時(shí)壓力對(duì)比云圖Fig.10 Contrast cloud map of instantaneous pressure

風(fēng)向的改變對(duì)文丘里管工作段風(fēng)速影響較大，實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合環(huán)境中的風(fēng)向，在達(dá)到工作風(fēng)速條件下，對(duì)該裝置進(jìn)行合理的安裝，以達(dá)到裝置最大工作效率。

4 結(jié)論

本文采用基于格子玻爾茲曼方法的流體力學(xué)軟件XFlow對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的風(fēng)能采集裝置進(jìn)行流場(chǎng)特性研究，計(jì)算不同風(fēng)速下文丘里管內(nèi)風(fēng)速的變化，并對(duì)該裝置在不同水平風(fēng)向夾角和傾斜風(fēng)向夾角下文丘里管內(nèi)平均速度變化進(jìn)行計(jì)算，得到以下結(jié)論。

①通過(guò)案例對(duì)比，證實(shí)了采用基于格子玻爾茲曼方法的流體力學(xué)軟件XFlow對(duì)所設(shè)計(jì)的風(fēng)能采集裝置進(jìn)行流場(chǎng)分析的可行性。

②計(jì)算了風(fēng)能采集裝置在不同流場(chǎng)風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的SR值，反映出不同風(fēng)速下其對(duì)風(fēng)速的增強(qiáng)能力的變化，0°水平風(fēng)向下最低工作風(fēng)速為3 m/s，且增強(qiáng)能力隨著流場(chǎng)風(fēng)速的增加而增加。

③在風(fēng)速為6 m/s環(huán)境中，計(jì)算了風(fēng)能采集裝置在不同水平和傾斜風(fēng)向夾角下的SR值。分析了不同夾角對(duì)文丘里管內(nèi)風(fēng)速增強(qiáng)效果的影響，給出了增強(qiáng)作用時(shí)（SR＞1）水平風(fēng)向夾角α以及傾斜風(fēng)向夾角β的取值范圍。