1、第8卷 第1期2 0 2 3年2月分布式能源D i s t r i b u t e dE n e r g yV o l.8N o.1F e b.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 5 1 3/j.2 0 9 6-2 1 8 5.D E.2 3 0 8 1 0 8基于数值模拟的阻力转子风力发电机叶片近流场特性分析唐潘宇,吴俊杰,肖 祥,秦子祥,谢占山,田 乾,程海正,宋晨光(南通大学机械工程学院,江苏省 南通市2 2 6 0 1 9)摘要:为了提高阻力转子风力发电机的自启动性能和风能利用率,构建扭转角度为9 0 扭曲叶片,并基于非定常雷诺平均N-S模型和k-S S T湍流模型,对扭曲叶片自
2、启动到稳态运行过程进行了数值模拟,评估风力机近流场特征对转子性能影响。结果表明:扭转角度为9 0 扭曲叶片可以适应不同来流方向,这种翼型不仅提高了不同环境的适用性,而且还提高了自启动能力;同时,扭曲翼型可以有效防止流体从前向叶片和回流叶片的凹侧尖端逸出,有利于保持叶片凹凸两侧的压力差,并相应地增加能量转换;在回流叶片和前向叶片的叶尾均发现涡流,这种周期性的涡旋脱落易导致转子结构的振荡,诱发结构的疲劳失效。研究结论可为扭转式叶片的阻力转子风机研发提供有益的帮助。关键词:S a v o n i u s;湍流模型;压力场;扭曲叶片;数值模拟中图分类号:T K8 1 文献标志码:AA n a l y
3、s i so fN e a rF l o wF i e l dC h a r a c t e r i s t i c so fR e s i s t a n c eR o t o rW i n dT u r b i n eB l a d e sB a s e do nN u m e r i c a l S i m u l a t i o nT ANGP a n y u,WUJ u n j i e,X I AOX i a n g,Q I NZ i x i a n g,X I EZ h a n s h a n,T I ANQ i a n,CHE NG H a i z h e n g,S ONGC
4、h e n g u a n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,N a n t o n gU n i v e r s i t y,N a n t o n g2 2 6 0 1 9,J i a n g s uP r o v i n c e,C h i n a)A B S T R A C T:I no r d e r t o i m p r o v e t h es e l f-s t a r t i n gp e r f o r m a n c ea n dw i n de n e r g ye f f i c i
5、e n c yo faw i n dt u r b i n ew i t had r a gr o t o r,at w i s t e db l a d ew i t hat o r s i o na n g l eo f9 0 w a sc o n s t r u c t e d.B a s e do nt h eu n s t e a d yr e y n o l d sm e a nN-Sm o d e l a n dk-S S Tt u r b u l e n c em o d e l,t h ep r o c e s sf r o ms e l f-s t a r t i n gt
6、 os t e a d y-s t a t eo p e r a t i o no f t h et w i s t e db l a d ew a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d,a n dt h e i n f l u e n c eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ew i n dt u r b i n en e a r-f l o wf i e l do nt h er o t o rp e r f o r m a n c ew a se v a l u a t e d.T h e
7、r e s u l t ss h o wt h a t t h e t w i s t e db l a d e sw i t ht o r s i o na n g l eo f 9 0 c a na d a p t t od i f f e r e n tf l o wd i r e c t i o n s.T h i sk i n do f a i r f o i l n o to n l y i m p r o v e s t h ea p p l i c a b i l i t yo f d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s,b u t
8、a l s o i m p r o v e st h es e l f-s t a r t i n ga b i l i t y.A t t h es a m e t i m e,t h ed i s t o r t e da i r f o i l c a ne f f e c t i v e l yp r e v e n t t h e f l u i df r o me s c a p i n gf r o mt h ec o n c a v e t i po ft h ef o r w a r db l a d ea n dt h er e t u r nb l a d e,w h i
9、 c hi sb e n e f i c i a l t om a i n t a i nt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e c o n c a v e a n dc o n v e xs i d e s o f t h eb l a d e a n dc o r r e s p o n d i n g l y i n c r e a s e t h e e n e r g y c o n v e r s i o n.E d d yc u r r e n t sw e r e f o u n da t t h e
10、t a i l o fb o t ht h er e f l u xb l a d ea n dt h e f o r w a r db l a d e,a n ds u c hp e r i o d i ce d d ys h e d d i n gc o u l de a s i l yl e a dt ot h eo s c i l l a t i o no f t h er o t o r s t r u c t u r ea n d i n d u c e t h e f a t i g u e f a i l u r eo f t h es t r u c t u r e.T h
11、er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d eu s e f u l h e l pf o r t h ed e v e l o p m e n to f r e s i s t a n c er o t o r f a n sw i t ht o r s i o n a l b l a d e s.K E Y WO R D S:S a v o n i u s;t u r b u l e n c em o d e l;p r e s s u r e f i e l d;t w i s t e db l a d e s;n u m e r i c
12、a l s i m u l a t i o n基金项目:江苏省大学生创新创业项目(2 0 2 2 1 0 3 0 4 1 0 9 Y)P r o j e c t s u p p o r t e db yI n n o v a t i o na n dE n t r e p r e n e u r s h i pP r o j e c tf o rC o l l e g eS t u d e n t s i nJ i a n g s uP r o v i n c e(2 0 2 2 1 0 3 0 4 1 0 9 Y)0 引言 在2 0 3 0年“碳达峰”、2 0 6 0年“碳中和”愿景下,我国
13、将“双碳”目标纳入生 态文明建设 整体布局中1。其中调整能源结构既是“碳达峰”和“碳中和”的主要内容,又是能否实现“双碳”目标的关键2。面向“双碳”目标,构建以新能源为主体的新型能源系统刻不容缓。从可再生能源发展规模看,中国已经成为世界第一大国,2 0 2 0年中国可再生能源发电6 4 分布式能源第8卷 第1期量达8 6 3.1TWh,占全球可再生能源总发电量的2 7.4 3%3-5。图2 计算区域及边界层的网格生成F i g.2 M e s hg e n e r a t i o no f c a l c u l a t i o nr e g i o na n db o u n d a r y
14、 l a y e r 风力机是开发和利用风力资源的关键核心装备。当前,风力发电机主要分为2大类,即升力转子(D a r r i e u s)和阻力转子(S a v o n i u s)6-7风力发电机。其中,阻力转子风力发电机是一种低成本、小规模的分散式可再生能源发电装置8,应用范围较为广泛。S a v o n i u s转子是一种结构简单的垂直轴风力发电装置,由2个朝向相反方向的S形圆柱形部分组成(对于双叶片转子)7,而扭曲的S a v o n i u s转子在低接入风速的情况下风轮可在任何风向产生高启动的扭矩,并在非常低的叶尖速度下运行9。当来流的空气介质通过转轮区时,叶片凸面和凹面之间的
15、压差诱使风轮绕垂直轴旋转,叶片凸面和凹面之间的压差越大,其产生扭矩越大,其效率就越高。风轮叶片几何参数影响转轮对风能捕捉,即,叶片的长径比、重叠比、叶片数、端板、级数和叶片几何形状等参数都与风轮转子的效率密切相关。为此,不少工程技术与研究人员已对此进行了研究并取得了卓越的成果,如S HE L D AHL等1 0通过实验方法研究了长径比为1.0和1.5的S a v o n i u s转子的性能,结果表明叶片的长径比对功率和扭矩系数有较大影响。F E R R A R I等1 1对4个展弦比分别为0.5 5、0.7 8、1.1和1.6 6的S a v o n i u s转子进行了三维流动特性分析,发
16、现当长径比从0.5 5增加到1.1时,功率系数显著增加。B HAYO等1 0则发现叶片级数的增加对于S a v o n i u s式转子的性能有显著的改善。上述试验以及仿真研究均表明:通过优化转轮的几何参数,风轮转子的性能可以得到显著提升。与传统的无扭风轮转子相比,使用扭叶片是提高S a v o n i u s风轮转子性能,即可以获得更高的功率系数、良好的启动能力以及平稳的运行性能。然而,关于S a v o n i u s式风力发电机叶片近流场特性分析还不多见,即叶片参数对扭曲叶片S a v o n i u s式转子性能的影响相关的分析还有待进一步明确。本文的主要研究内容是最优扭角为9 0 的S a v o n i u s式风力机近域压力场等对风轮转子影响。1 模型与网格划分1.1 几何模型及网格剖分扭曲叶片S a v o n i u s式垂直轴风力发电机的模型及其计算域如图1所示。主要几何参数有:单叶片弦d=4 0 0mm;转子直径D=10 0 0mm;厚度为2mm,长宽比为3,扭转角()可定义为扭转叶片下尖和上尖之间的角度,本文的扭转角度为9 0 1 2-1 4。网格剖分方面采用混