高密实度H型风力机气动性能的数值分析

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目前，随着全球对可持续能源的投入，风能作为绿色能源的-种，也受到越来越多的关注。欧盟联合研究中心对全球能源构成变化进行了预测 ，预计在未来的几十年内，风电将在能源领域内占据越来越大的份额n 。H型风力机以其独特的优势，如不需要偏航机构 ，启动性相对于水平轴要好，噪音小，不需要复杂的叶片外型，安装、操作成本低等 ，也受到了国内外研究者的重视。

在H型风力机的设计中，密实度与叶片数、弦长、半径有关 ，是影响风力机特性的主要因素之-3 。高密实度风力机的主要特点是：这种风力机的最佳叶尖速比低，直径小，能使风力机叶片的振动载荷的非平收稿日期：2012-112作者简介：施培丽(1987-)，女，浙江湖州人，主要从事叶轮机械流体力学方面的研究.E-mail：21024029###zju.edu.cn通信联系人：邵雪明，男，教授，博士生导师.E-mail：mecsxm###zju.edu.cn机 电 工 程 第3O卷衡性较-般风力机低n 。但其叶尖速比小 ，往往会产生更大的攻角，容易超过静态失速攻角 ，导致动态失速效应b ，因而风力机内部流场的空气动力学特性成了关注的焦点。加拿大McMaster大学的K.McLaren6]对其进行了数值模拟，并分析了流场叶片相互作用的机理 ，包括翼型表面流动分离产生的涡，涡的脱落及其对下游叶片的影响，使得风力机气动载荷产生-定的变化。也有-些研究者对展弦比、叶片数等参数对风力机的功率特性做过-些理论研究 ，但这些研究都是在密实度改变的情况下分析的，目前尚未开展等密实度下不同叶片数风力机的气动特性比较。

随着CFD技术的发展，数值模拟已成为风力机结构设计和优化的重要手段之- ，有研究者发现在模拟风力机叶片绕流这类存在大规模流动分离现象的流场时，基于k-oJ SST模型的-类湍流模型能够比较准确的描述流场特点，捕捉失速等流动现象的发生 ，本研究采用k-∞SST模型和滑移网格技术，研究相同密实度情况下 ，不同叶片数 H型风力机的功率特性、载荷特性及流场特性。

1 数值模型及验证1.1 网格划分及边界条件由于H型风力机叶片展弦比较大，本研究将基于二维模型进行数值模拟的研究。根据前人的经验n ，计算区域需要足够大以忽略边界影响，-般揉离人口5d-6d以上 ，出口10d以上，与壁面间距 3d以上。本研究的风力机距离进口10D，出口20D，与上下壁面间距1 (其中D为风轮直径)。

全流场分为两部分：内部为包含叶轮的旋转区域，外部为静区域，旋转区域通过滑移网格法进行处理，本研究在计算中设定其旋转角速度，旋转与静区域通过- 个交界面进行差值处理。本研究采用ICEM对流场进行结构化网格划分，根据雷诺数、弦长及Y 确定第-层网格长度为5x10～m，计算区域及网格如图1所示。

本研究在计算中设置左边界为速度人口，工质为常温常压下的空气，来流风速设为 l3.45 m/s，对应的雷诺数为3.7x 10 ，来流湍流强度设为3%；右边界为自由出流边界条件 ；上 、下边界固定为人口速度；叶片表面为壁面无滑移条件。

1.2 控制方程本研究对风力机流场的模拟采用雷诺时均法(RANS)，控制方程如下所示。

连续性方程为：( )0 (1) a(a)计算区域图1 计算区域及网格划分动量方程为：啬( )专( )-罢杀 薏-p )(2)湍流模型采用k-co SST模型，其涡粘系数 k方程和∞方程可以写成如下形式 ：口.kzm ax(alto；F2)In ct (3)毒l(I&o'kIJ，t)差I丁 OIAi-卢 P (4) 竹 )期 薏伽2(1-F)p 1瓦Ok &o其中：丁 -pu ，式中：卢， ，or ，or -模型参数；F。，F：-混合函数。

k-a)SST湍流模型利用函数 F 将k-e和k-Z.方程模式结合起来，再利用混合函数 F：改进涡团粘性系数 在壁面逆压流动区域的结果，充分发挥了k-e模型处理 自由流、k-∞模型处理壁面约束流动的特长。

1-3 模型验证为了验证本研究数值模型的可靠性，笔者首先引用文献[3]中的-型3.5 kW风力机，对其流厨行数值模拟，该型风力机的几何参数如表1所示，模拟结果如表2所示，风轮功率系数随着叶尖速比的增大，先增大后减校由表2对比结果可知，两者吻合较好 ，从而验证了本研究数值模型的可靠性。

2 模拟结果与分析根据多流管理论模型，H型风力机的密实度是影响风轮性能的主要因素之-，相同密实度的风力机会第3期 施培丽，等：高密实度H型风力机气动性能的数值分析 .279 。

表1 H型风力机的几何尺寸参数风轮直径D，Jm叶片展长 -nl叶片数翼型叶片弦长C/m密实度安装角/(o)数值2.533NACAo015O.40.48O表2 风轮功率系数模拟结果及对比叶 匕A K M-claren CFD CFD . 本研究有相同的风能利用特性曲线。为了探讨不同叶片数对H型风力机实际功率特性及尾流场的影响，本研究在同-风能利用特性曲线(即同-密实度 BC/R)下 设 计 不 同 叶 片 数 的 风 力 机 ，通 过 给定 半 径R～1.25 m，改变弦长来设计不同叶片数的风力机 ，其几何参数如表3所示，其余参考表1数据。

表3 不同叶片数的风力机C/m0.6O.40.242352.1 叶片数对功率、载荷特性的影响本研究对这3种不同叶片数的风力机进行了数值模拟，得到风力机功率系数随叶片数的变化情况，如表4所示。在同-叶尖速比下，2叶片风力机的功率系数最大，随着叶片数的增加，风力机的功率系数有所降低。对5叶片风力机来说，当叶尖速比Al-3时，其功率系数是2叶片风力机的23%；当叶尖速比增加到表4 叶片数对风力机功率系数的影响A2.1时，其功率系数增大到2叶片风力机的73%。

为了进-步研究风力机功率系数随叶片数变化的机理 ，本研究选取正常工况点(A1.6)下风力机的叶片和风轮扭矩如图2所示。其中风力机叶片位置角的定义及扭矩的方向如图3所示。

冒善首吾， 、 / 、 -.B-2。 / "-' -B耄.- . /.，- 。 、o 60 90 i 陵 -70 面 ；O/de，(a)叶片扭矩- . .-. .-.- 当：。

60 90 120"3""1，80218'240 270 300 30/deg(b)风轮扭矩图2 A1.6下风力机向叶片和风轮扭矩0。

图3 叶片位置角及受力分析如图2所示 ，3种风力机叶片的最大扭矩位置角均在9O。附近。随着叶片数的增加，叶片的扭矩最大值越来越小，高扭矩位置角范围也越来越窄。风轮扭矩在圆周旋转过程中呈周期性变化，3种风力机的扭矩最大值与单个叶片的扭矩最大值相近，其中-个峰值区间所展现的扭矩图形也与单叶片的相似。所以，H型风力机单个叶片的气动性能可以反映整个风轮的气动特陛。

由图2可知，2叶片数风力机的正负叶轮扭矩极值分别为 ～82 N·ITI，M2 -52 N·I1，其作用在轴承上的交变载荷应力较大。这对轴承的材料提出更高的要求。所以，本研究在对单个H型风力机的设计过程中，选取叶片数时应综合考虑效率和安全这两个因素。

2.2 叶片数对风力机内部流场特性的影响由于上游叶片(090。附近)的气动性能对整个风力机的性能起决定性作用 ，本研究提取了叶片最大扭第3期 肖 民，等：基于AMESim的SSS离合器的建模与仿真 ·291·作用下，滑移件速度降低，减速前进。CODAG物理模拟试验台主机切换啮合过程中的中间滑移件试验曲线如图3中虚线所示。

从图3中可发现，两图的位移曲线走势-致，仿真曲线和试验曲线能够很好地吻合。当t0～0.3 S，位移曲线斜率较大；当t0.3 S时刻，中间件移至10 mm处，液压油阻尼力开始起作用，斜率下降，产生拐点；当t0.3～0.68 S，中间件移至末端，位移保持在 15 mm。

由于仿真中未考虑振动因素的影响，仿真曲线较试验曲线平滑。以上分析印证了本研究SSS离合器仿真模型的正确性。

4 结束语仿真结果表明，本研究所推导的数学模型和建立的仿真模型是正确的，运用AMESim软件对SSS离合器的进行仿真是可行的，为接下来建立船舶推进系统完整仿真模型打下了基矗基于AMESim软件的仿真特点，本研究可以更加简便、细致地对结构细节进行仿真处理，如双向缓冲油腔、液压油源等，更加接近实际运行情况。