朱海天,郝文星,李 春,丁勤衛(wèi)
(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)
近年來,垂直軸風(fēng)力機(jī)(vertical axis wind turbine,VAWT)由于其造價(jià)低、運(yùn)行噪聲小和適宜大型化等優(yōu)勢成為了研究熱點(diǎn)[1-2]。然而,VAWT獲能效率較之水平軸風(fēng)力機(jī)低[3-4],因此亟待一種有效且價(jià)格低廉的裝置以改善VAWT 的氣動(dòng)性能。
格尼襟翼(Gurney flap,GF)是一種安裝于翼型尾緣并垂直于弦線的平板。1978 年Liebeck[5]首次將GF 加裝于翼型,并驗(yàn)證當(dāng)GF 長度為1.25%c(c為弦長)時(shí)可極大地提升翼型氣動(dòng)性能。隨后,經(jīng)大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究與分析可知,GF 具有增大升力和增強(qiáng)流動(dòng)控制的效果[6-15]。隨著計(jì)算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)方法和主動(dòng)流動(dòng)控制的快速發(fā)展,GF 的作用機(jī)理和應(yīng)用范圍得到了完善和擴(kuò)大。Zhang 等[16]與Feng 等[17]將等離子激勵(lì)器與GF 相結(jié)合研究其流動(dòng)控制效果。Lee[18-19]研究了具有孔陣的GF對翼型氣動(dòng)性能的影響。Kinzel 等[20]研究了可擺動(dòng)式GF 振蕩翼型的動(dòng)態(tài)特性。Graham 等[21]通過實(shí)驗(yàn)研究了GF 厚度對翼型氣動(dòng)性能的影響。Cole 等[22]研究了不同翼型加裝GF 的增升效果。Ismail 等[23]與Shukla 等[24]將酒窩式翼型和GF 相結(jié)合以期增強(qiáng)GF 的流動(dòng)控制效果。Xie 等[25]研究了GF對撲翼獲能效率的影響。
文獻(xiàn)[23-25]均對GF 應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展做出了展望。因此,本文將GF 應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型GF,通過數(shù)值模擬研究了兩種格尼襟翼對不同實(shí)度的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響,并基于對比研究驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性,分析具有GF 的VAWT 的風(fēng)能利用系數(shù)、力矩系數(shù)和載荷波動(dòng)在不同尖速比和不同實(shí)度下的數(shù)據(jù)。
半圓形凹槽是一種可在大攻角下通過反旋渦流抑制流動(dòng)分離的被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)[26]。本文將格尼襟翼與半圓形凹槽相結(jié)合以期提升VAWT的氣動(dòng)性能。為書寫簡潔,下文中改進(jìn)型GF 在圖中均稱為dimple-GF。圖1 為基于NACA0021翼型的兩種GF 物理模型,圖中:GF 高度hG、厚度LG分別為c的1.25%、0.04%;半圓形凹槽直徑Dd與hG相等;尾緣與GF 間距SGT為c的10%。
圖 1 GF、dimple-GF 物理模型Fig. 1 GF、dimple-GF physical model
圖2 為GF 翼型和改進(jìn)型GF 翼型周圍的網(wǎng)格模型。第一層網(wǎng)格高度滿足第一層網(wǎng)格質(zhì)心至壁面無量綱高度y+= 1,其網(wǎng)格最小正交質(zhì)量分別為0.607 和0.528,網(wǎng)格最小畸變率分別為0.628和0.436。
風(fēng)能利用系數(shù)CP與 力矩系數(shù)Cm(θ)公式為
式中:T(θ)為 風(fēng)力機(jī)在方位角 θ時(shí)所受的轉(zhuǎn)矩,N·m-1;P為輸出功率,W; ρ為空氣密度,kg·m-3;A為 掃 風(fēng) 面 積,m2;Va為 誘 導(dǎo) 速 度,m·s-1;R為旋轉(zhuǎn)半徑,m。
實(shí)度 σ為設(shè)計(jì)參數(shù),下文中風(fēng)力機(jī)半徑保持不變。實(shí)度為0.175、0.250 對應(yīng)葉片3(弦長分別為60.06 、85.80 mm),實(shí)度為0.333 對應(yīng)葉片4(弦長與實(shí)度為0.250 對應(yīng)葉片的一致),實(shí)度為0.416 對應(yīng)葉片5,實(shí)度為0.500 對應(yīng)葉片6。
圖 2 GF、dimple-GF 網(wǎng)格模型Fig. 2 GF、dimple-GF mesh model
式中,N為葉片數(shù)。
尖速比λ 反映垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況,即
式中: ω為角速度,rad·s-1;V∞為來流速度,m·s-1。
圖3、4 分別為VAWT 物理模型及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圖中W為相對速度。除Z2 區(qū)域外,其他區(qū)域(Z1、Z3)均為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。原始VAWT、具有原始GF 的VAWT、具有改進(jìn)型GF 的VAWT 的總網(wǎng)格數(shù)分別為509 222、619 394 和656 264。
圖 3 VAWT 物理模型Fig. 3 Physical model of VAWT
圖 4 VAWT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Topological structure of VAWT
本文采用TSST 湍流模型。該湍流模型在捕捉層流至湍流的轉(zhuǎn)捩時(shí)具有較好的精度,且在垂直軸風(fēng)力機(jī)周圍流場的數(shù)值計(jì)算中已廣泛使用[27-28]。本文算例中壁面y+均取1,并均基于弦長的雷諾數(shù),網(wǎng)格尺寸變化比例為1.05~1.08。采用Simplec 算法并均采用二階迎風(fēng)格式計(jì)算對流項(xiàng),選用亞松弛因子以保證算法的收斂性。
入口邊界條件為速度入口,來流風(fēng)速為9 m·s-1,入口湍流強(qiáng)度為3%,湍流黏性系數(shù)為1,空氣密度為1.225 kg·m-3,空氣動(dòng)力黏度為1.789 4 ×10-5Pa·s,出口相對壓力為0 Pa。
本文選取展弦比為17 的SB-VAWT,通過獲得單位掃風(fēng)面積的風(fēng)能利用系數(shù),確定原始SB-VAWT 的風(fēng)能利用系數(shù),并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[29]進(jìn)行對比。圖5 為計(jì)算模型可靠性對比,研 究Standardk-ε 、Realizablek-ε 、SSTk-ω和TSST 湍流模型的模擬值和實(shí)驗(yàn)值的誤差,以驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性。
圖 5 計(jì)算模型可靠性對比Fig. 5 Comparative study on the reliability of the computational models
由圖5 中可知,TSST 湍流模型可較好地捕捉實(shí)驗(yàn)值。相比其他假設(shè)流體為全湍的湍流模型,TSST 湍流模型可更精確地計(jì)算低尖速比下VAWT 的氣動(dòng)性能。
本文采用網(wǎng)格收斂性索引(grid convergence index,GCI),建立基于具有改進(jìn)型GF 垂直軸風(fēng)力機(jī)的粗糙網(wǎng)格、中等精度網(wǎng)格和高精度網(wǎng)格模型,網(wǎng)格數(shù)分別為406 422、604 715 和901 254。圖6 為采用不同網(wǎng)格模型時(shí)葉片切向力隨方向角的變化。
由圖6 中可知,中等精度網(wǎng)格和高精度網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果接近,而粗糙網(wǎng)格葉片所受推力低于高精度網(wǎng)格,粗糙網(wǎng)格、中等精度網(wǎng)格和高精度網(wǎng)格對應(yīng)的SB-VAWT 的風(fēng)能利用系數(shù)分為0.303 1、0.307 4 和0.309 0,對應(yīng)的網(wǎng)格收斂率為-2.438。若采用安全系數(shù)為1.25,以中等精度網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果作為中間變量,得到的高精度網(wǎng)格GCI 為8 .56×10-3,中等精度網(wǎng)格GCI 為3.18×10-3。可見,中等精度網(wǎng)格模型也具有較好的收斂性。
圖 6 在不同網(wǎng)格模型時(shí)葉片切向力隨方位角的變化Fig. 6 Variation of tangential force of a blade with azimuth angles for different mesh models
圖7 為具有兩種GF 的VAWT 氣動(dòng)性能曲線,圖中Clean 為原始風(fēng)力機(jī)。由圖7(a)~(e)中可發(fā)現(xiàn),當(dāng)尖速比為3.1、實(shí)度為0.250 時(shí),原始格尼襟翼最大可提升10.92%的風(fēng)能利用系數(shù),改進(jìn)型格尼襟翼最大可提升17.92%。在不同實(shí)度,改進(jìn)型格尼襟翼在高尖速比時(shí)可較好地提升氣動(dòng)性能,而原始格尼襟翼在低尖速比時(shí)可較好地提升氣動(dòng)性能。
圖7(f)為VAWT 整機(jī)的力矩系數(shù)隨方位角變化的極曲線。由圖中可知,隨著實(shí)度的增加力矩系數(shù)曲線更趨近于類圓形,平均力矩系數(shù)越小,葉片平均受載均大于原始VAWT。
圖7(g)為力矩載荷波動(dòng)隨尖速比的變化。由圖 7(g)中可知,當(dāng)實(shí)度大于0.333 時(shí),載荷波動(dòng)大幅削弱。當(dāng)尖速比增大時(shí),波動(dòng)程度趨于緩和。當(dāng)尖速比減小時(shí),由于葉片失速更為嚴(yán)重,故波動(dòng)程度將更為劇烈。特別地,與實(shí)度為0.250 時(shí)相比,實(shí)度為0.175 時(shí)載荷波動(dòng)情況較好,這是由于較小的葉片弦長承受更小的載荷且葉片間干擾削弱。
本文采用Fluent15.0 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并分析得出GF 可大幅提升風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。主要結(jié)論為:
(1)GF 和改進(jìn)型GF 均可大幅提升VAWT 的氣動(dòng)性能,當(dāng)尖速比為3.1、實(shí)度為0.25 時(shí),原始GF 最大可提升10.92%的風(fēng)能利用系數(shù),改進(jìn)型GF 最大可提升17.92%。改進(jìn)型GF 更適用于高尖速比工況,而原始GF 適用于低尖速比工況。
圖 7 具有GF 的VAWT 氣動(dòng)性能Fig. 7 Aerodynamic performance of VAWT with GF
(2)隨著實(shí)度增大,由于葉片間干擾導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)降低,但載荷波動(dòng)情況得到改善。實(shí)度為0.416 時(shí),載荷波動(dòng)情況最優(yōu)。
GF 與其他被動(dòng)流動(dòng)控制或主動(dòng)流動(dòng)控制相結(jié)合是格尼襟翼未來發(fā)展的重點(diǎn)。本文就原始GF 和改進(jìn)型GF 在不同實(shí)度的垂直軸風(fēng)力機(jī)中的應(yīng)用展開了研究,為選擇較優(yōu)的具有格尼襟翼的垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。