李爭 程立源 高夢海 張文達

摘 要： 為了提高風力機組的整體性能，解決風力機在實際運行中受建筑物影響的問題，利用仿真分析軟件Fluent對不同葉片數(shù)的新型鸚鵡螺等角螺線型風力機進行氣動性能研究，建立建筑物與風力機組排布模型，分析建筑物擾流特性，對比擾流環(huán)境對風力機組轉(zhuǎn)矩性能的影響。結(jié)果表明：3個葉片風力機的整體性能更優(yōu);建筑物下游出現(xiàn)紊流區(qū)域，切向速度明顯增加，其附近的新型鸚鵡螺等角螺線型風力機組轉(zhuǎn)矩性能明顯提升，驗證了建筑物附近安裝鸚鵡螺等角螺線型風力機組的可行性。所提風力機組排布方式可有效提升風力機性能，為風力機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和建筑物附近風力機排布提供參考。

關(guān)鍵詞： 空氣動力學;垂直軸風力機;Fluent;轉(zhuǎn)矩;建筑物

中圖分類號：TM315文獻標識碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06010

Numerical simulation of nautilus equiangular spiral wind

turbine and analysis of building turbulence

LI Zheng， CHENG Liyuan， GAO Menghai， ZHANG Wenda

（School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：

In order to improve the overall performance of wind turbines and solve the problem that the wind turbine is affected by the building in actual operation， the simulation analysis software Fluent was used to study the aerodynamic performance of the new Nautilus equiangular spiral wind turbine with different numbers of blades. The layout model of buildings and wind turbines were established， the turbulence characteristics of buildings were analyzed， and the torque performance of wind turbines in the turbulent environment were compared. The results show that the overall performance of the three-blade wind turbine is more superior; there is turbulence area at the lower position of the building， and the tangential speed is significantly increased; the performance of the new Nautilus equiangular spiral wind turbine near the building are significantly improved， which verifies the feasibility of installing the Nautilus equiangular spiral wind turbine near the building. The proposed arrangement of wind turbines can effectively improve the performance of wind turbines， and provide references for the optimal design of wind turbine structures and the arrangement of wind turbines near buildings.

Keywords：aerodynamics; vertical axis wind turbine; Fluent; torque; building

發(fā)量都居世界首位。風能是一種可再生的清潔型能源，風力發(fā)電可作為可再生能源的主力電源[1-4]。垂直軸風力機具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護、占地面積小、噪聲低等優(yōu)勢，吸引了大量的學者進行研究，進一步促進了垂直軸風力機的發(fā)展[5-8]。風力機的性能受安裝位置的影響較大，建筑物下游的風力機會受到建筑物對來流風速大小、方向、湍流強度等的影響。如果能夠在建筑物附近找到風力機合適的安裝位置，則可以避免低風速區(qū)，利用局部大風區(qū)域提高風力機的性能。

風力機的研究方法主要有實物實驗法、風洞實驗法和仿真模擬法。大多數(shù)研究采用數(shù)值模擬仿真的研究方法對風力發(fā)電機的空氣動力學性能進行分析，可以節(jié)約時間和研究成本。文獻[9]對不同水平面上的風力機進行分析，兩臺風力機相互促進，提升整個風力機組的性能。文獻[10—11]分別從風力機仿真過程中二維、三維的模型選取進行了綜合分析。二維仿真的計算時間短，仿真結(jié)果優(yōu)于實驗值;三維仿真可以更好地反映出實際情況，但是運算時間長。改變風力機的結(jié)構(gòu)和運用新的計算方法可提升風力機的性能以及仿真模擬的計算精度。文獻[12]將垂直軸風力機與外軸風力機相組合，最大程度上減少了功率波動和到達峰值的時間，提高了風力機的效率。文獻[13]對三維建筑物周圍的流場進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果相似。建筑群間的繞流也比單個建筑物要復雜得多，建筑物后方的流場存在復雜漩渦區(qū)，不利于空氣的擴散傳播，嚴重影響風力機的正常運行。文獻[14]根據(jù)超高層建筑的集風效應，提出在高層建筑上尋找較高風速和較低湍流強度的位置安裝風力發(fā)電機可以有效降低棄風率。這些研究對推動風力機的發(fā)展非常有價值，但是關(guān)于哪種建筑物對應哪種特定的風力機模型的研究相對較少。

為了得到較好的風力機模型，本文對2，3，4個葉片的風力機轉(zhuǎn)矩特性和風能利用率進行比較分析，確定風力機的葉片數(shù)量，然后分析建筑物附近的繞流特性，并仿真模擬計算建筑物周圍4個特定位置風力機組的轉(zhuǎn)矩，觀察風力機性能的變化，以期為建筑物附近安裝新型鸚鵡螺等角螺線型風力機組的可行性提供理論依據(jù)。

1 風力機性能系數(shù)相關(guān)定義

根據(jù)牛頓第二定理[15-16]，

F=ma，

E=12mv2，

式中：F為風力;m為空氣質(zhì)量;a為加速度;E為動能。

風能能量為

P=12ρSv3，

式中：ρ為空氣密度;S為風力機掃風面積;v為來流風速。

風力機功率為

Pw=Tω，

式中：T為風力機轉(zhuǎn)矩;ω為風力機旋轉(zhuǎn)角速度。

風能利用率Cp是衡量垂直軸風力機的重要指標，其計算式為

Cp=Tω12ρSv3。

尖速比TSR定義為葉尖切向速度與來流風速的比值：

TSR=Rωv，

式中R為風力機半徑。

2 幾何模型及計算域的創(chuàng)建

在對新型鸚鵡螺等角螺線型風力機的空氣動力學性能進行分析時，為了節(jié)約計算資源和減少計算時間，本文只對鸚鵡螺垂直軸風力機的風輪部分進行數(shù)值模擬。圖1為3種不同葉片數(shù)的風輪模型。風力機的入風口截面為橢圓形并且3個葉片間的螺線角距離相等，風力機入口處橢圓的長軸為0.33 m，短軸為0.15 m。鸚鵡螺垂直軸風力機葉片的外形是特殊弧形結(jié)構(gòu)， 且風輪的整體結(jié)構(gòu)相對圓滑。它的橫截面接近橢圓形，有效減少了風力機在旋轉(zhuǎn)時的風阻，使得風力機可以獲得較大的旋轉(zhuǎn)速度。在風輪材料強度允許的情況下，風力機能夠以較高速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生更多電能。風力機在旋轉(zhuǎn)時保證一直存在1個葉片處于迎風狀態(tài)，其余葉片的另一側(cè)恰好處于背風處。這種阻力型風力機在運行過程中有效提升了轉(zhuǎn)矩差，產(chǎn)生更大旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，有效提高了風力機的空氣動力學性能。 在進行繞流特性分析時選取規(guī)則的長方體墻體代替建筑物墻體。風力機和建筑物的參數(shù)如表1所示。

為了盡可能模擬風力機實際的運行環(huán)境，準確計算風力機的基本性能，首先構(gòu)建流體仿真中風力機的計算域。整個計算域內(nèi)的介質(zhì)為均勻的空氣，計算域的尺寸遠大于風力機模型的大小，如圖2所示，風力機的計算域尺寸為20 m×10 m×5 m。

2.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的準確性起著至關(guān)重要的作用。鸚鵡螺垂直軸風力機葉片外形是特殊的曲面結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)格劃分時采用六面體及四面體結(jié)構(gòu)會降低計算精度，存在劃分時間長等缺點。本文采用非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格劃分方法，以有效降低網(wǎng)格的出錯率并提高網(wǎng)格劃分的效率[17-18]，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為25萬個。網(wǎng)格劃分時增加了旋轉(zhuǎn)域和風輪葉片的網(wǎng)格密度，該部分網(wǎng)格數(shù)量有14萬個，后處理的過程中可以清晰觀察出整個計算域中云圖分布特點。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.2 計算方法

在實際求解過程中選擇合適的湍流模型進行仿真計算。仿真模擬時合適的湍流模型不僅可以增加計算效率，還可以將計算精度控制在合理的范圍內(nèi)，使計算結(jié)果更加與實際情況相符。與RNG k-ε模型相比，Standard k-ε模型適用范圍廣，計算量合適，有較多的數(shù)據(jù)積累和適當?shù)挠嬎憔?，因此選擇Standard k-ε模型進行計算[19-20]。入口速度v為6 m/s，出口壓力為0 Pa，計算域4面為墻體，流體材質(zhì)為氣體。在進行垂直軸風力機的數(shù)值仿真計算時，當風輪的切向力系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的周期性變化時，視為計算結(jié)果收斂。

3 結(jié)果分析

3.1 風力機分析

假設(shè)來流風速固定為6 m/s，風力機旋轉(zhuǎn)速度為5°/s，且2，3，4葉片的風力機分別旋轉(zhuǎn)1周，繪制出風力機的轉(zhuǎn)矩波形圖，如圖4所示，3種風力機的風能利用率如圖5所示。

從圖4可知，風力機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的大小并不隨著葉片數(shù)的增加而增大，風力機轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性也不與葉片數(shù)有明顯的線性關(guān)系。當風力機為2個葉片時，風力機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動最大，工作時至少有半個周期風力機處于背風狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩值下降。風力機為3個葉片時，風力機旋轉(zhuǎn)1周產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩位于其他2種風力機之上，3個葉片的風力機的轉(zhuǎn)矩峰值也較大。風力機為4個葉片時，轉(zhuǎn)矩波動與3個葉片的風力機相比較小，轉(zhuǎn)矩峰值與轉(zhuǎn)矩平均值均小于3個葉片的風力機。

從圖5可知，葉片數(shù)量為2，3，4時，風能利用率的曲線逐漸向低尖速比的方向移動。葉片數(shù)為2時，風力機運行的尖速比范圍與其他二者相比較大，但其提供的啟動力矩小，自啟動的性能較差;葉片數(shù)為3，4時，隨著葉片數(shù)量的增加，風能利用系數(shù)對應的尖速比范圍變窄，最大的風能利用率Cp也變小。在葉片增加的過程中，最大的風能利用率Cp對應的尖速比也在減小。由于鸚鵡螺垂直軸風力機葉片的特殊結(jié)構(gòu)，實度也會隨著葉片數(shù)量的增多而增加，在一定程度上增加風輪的阻力。到達葉片上的風速變小，進一步降低葉片產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，風能利用率Cp下降，并且向低尖速比的方向移動;隨著葉片數(shù)的增加，低速旋轉(zhuǎn)時風力機更容易產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，也更容易啟動。綜合考慮風輪的轉(zhuǎn)矩特性、壓力特征、在較寬范圍內(nèi)的尖速比下的風能利用系數(shù)[21]以及結(jié)合材料和成本問題，認為鸚鵡螺垂直軸風力機的葉片數(shù)量為3時最佳。

3.2 建筑物擾流分析

城市環(huán)境中的建筑物嚴重影響風速的流動方向，建筑物附近會產(chǎn)生部分的漩渦紊流區(qū)域，而建筑物周圍出現(xiàn)的切向風速會嚴重影響風力機的運行狀態(tài)和性能。本文利用Fluent對建筑物進行數(shù)值仿真模擬，通過觀察建筑物2個特殊位置的風速矢量圖，分析建筑物對來流風速的干擾范圍和速度變化波動，驗證建筑物附近安裝新型鸚鵡螺垂直軸風力機的可行性，增加風力機的經(jīng)濟效益。建筑物附近的風速矢量圖如圖6所示。

根據(jù)圖6的速度矢量圖，可以觀察到建筑物對來流風速在水平和垂直方向的影響非常大。當上游的風遇到建筑物時，在建筑物前緣出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象。風沿著建筑物周圍向下游擴散時，會出現(xiàn)環(huán)繞現(xiàn)象。建筑物兩側(cè)和頂端向下的風速流線相互交織，一起向建筑物的下游傳播擴散。建筑物后方的湍流尾流變窄，風向、風速等變化十分紊亂，在下游流場形成漩渦。建筑物的正后方風速會出現(xiàn)較大的漩渦，隨著距離的增加漩渦逐漸變小，另外該區(qū)域風速低、風速變化頻繁。在整個計算域內(nèi)最高風速為9.408 m/s，是來流風速的1.568倍。同時可以發(fā)現(xiàn)，風在建筑物頂端和兩側(cè)都出現(xiàn)了明顯的分離擾流現(xiàn)象，因此建筑物邊緣附近的切向風速會大于來流風速。在距建筑物頂端較低位置時風速會出現(xiàn)下降，也就是距離建筑物頂部的較低范圍內(nèi)的風速會小于來流風速。

3.3 風力機組的數(shù)值模擬

通過對建筑物的速度流場進行數(shù)值分析，可以間接證明在建筑物附近安裝風力機能在一定程度上提高風力機性能。為進一步驗證建筑物附近安裝風力機組的可行性，對風力機組在特定位置的空氣動力學性能進行數(shù)值模擬，圖7是建筑物周圍的風力機組分布圖。建筑物前方4R處為1號風力機，左右兩側(cè)5R處分別為2號和4號風力機，正上方4R處為3號風力機。

圖8為風力機的壓力云圖，建筑物與1號風力機之間的距離相對較近，1號風力機受到建筑物的反壓影響，由于建筑物的阻礙，來風來不及擴散，其整個風輪的葉片受到較大壓力。整個風力機壓力增大會增加風力機的振動頻率，對風力機的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生消極影響，降低風力機的穩(wěn)定性。由于建筑物附近壓強擴散的影響，2號風力機受到的壓強要稍稍大于4號風力機受到的壓強。3號風力機與建筑物的距離相對較大，建筑物后方的負壓區(qū)域和正壓區(qū)域形成的壓力差會產(chǎn)生大風區(qū)域， 3號風力機能夠獲得更多的風能，從而降低棄風率。

圖9為建筑物周圍4臺風力機的轉(zhuǎn)矩圖，1號風力機與建筑物之間的壓力差較小，此范圍內(nèi)的風速變化復雜，風能相互抵消，風力機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較小。建筑物兩側(cè)的速度流場對稱，2號和4號風力機轉(zhuǎn)矩相差較小，與1號風力機相比轉(zhuǎn)矩大，能夠產(chǎn)生更多的經(jīng)濟效益。建筑物上方的3號風力機的轉(zhuǎn)矩是4臺風力機中最大的。綜合分析，除了1號風力機的轉(zhuǎn)矩偏小，其他3臺風力機的轉(zhuǎn)矩都大于1號位置的轉(zhuǎn)矩，說明建筑物附近的風力機應盡量安裝在建筑物兩側(cè)和上方的位置。另外，也證實：在建筑物附近安裝新型鸚鵡螺垂直軸風力機組是可行的，而且在合適的位置可以增加風力機的動力性能。

4 結(jié) 語

本文對2，3，4葉片的鸚鵡螺風力機進行數(shù)值仿真，對比風力機的轉(zhuǎn)矩性能和風能利用率，得出3個葉片的鸚鵡螺等角螺線型風力機性能最優(yōu)。在建筑物工況下模擬，發(fā)現(xiàn)建筑物擾流對下游的風速和流向產(chǎn)生影響，其中最大風速約是來流風速的1.5倍。對建筑物附近風力機組的壓力以及轉(zhuǎn)矩特性分析發(fā)現(xiàn)，1號風力機位置風速變化紊亂，風力機使用壽命會降低，2，3，4號風力機轉(zhuǎn)矩特性明顯提升。本文中的排布方式可以有效提高風力機組的性能，使風能得到更有效的利用。本文僅針對建筑物特定位置風力機組進行了研究，未來將會對多種排布方式展開研究，進一步提升城市風能利用效率。

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