直叶片垂直轴风机气动设计参数分析.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nM a n u f a c t u r e 第 9期 2 0 1 2年 9月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 9 - 0 0 6 6 - 0 3 直叶片垂直轴风机气动设计参数分析 l 汤双清徐艳飞朱光宇 三峡大学 机械与材料学院， 宜昌 4 4 3 0 0 2 An aly s i s o n De s i gn Pa r a me t e r o f S t r a i g h t -Bl a d e d Ve r t i c a l Ax i s W i n d Tu r b i n e T AN G S h u a n g - q i n g ， XU Ya n - f e i ， Z HU Gu a n g - y u Me c h a n i c a 1 a n d Ma t e r i a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a 【 摘 要 1 采用滑移网格技 术对直叶片垂直轴风机风轮进行二维非定常数值模拟 ，获得在不同风 轮设计参数下风轮的转矩。通过以风轮功率最大为性能指标 ， 选取对风轮功率有直接影响的叶片安装 半径、 叶片弦长、 叶片数和叶片高度四个主要因素作为 自变量 ， 采用正交试验优化设计方法对风轮参数 进行优化。 对正交试验结果进行极差分析。结果表明直叶片垂直轴风机风轮空气动力性能最优的一组 风轮参数为 R 1 ． 0 5 m， N 5 ， C 0 ． 1 4 m， H 1 ． 4 m。 所得到的最优解与一般优化设计所得的结果类似 ， 能够达 到 对直叶 片垂 直轴风机 风轮 进行优 化的 目的。 关键词 直叶片垂直轴风机 ； 二维流场模拟 ； 正交试验设计 ； 极差分析 【 A b s t r a c t 】 2 D n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o n u n s t e a d y r o t a t e d fl o w of o s m al l s t r a ig h t b l a d e d v e r t ic a l a x is w i n d t u r b i n e is c a r r i e d O n b a s e d o n m o v i n g m e s h e s b y m e 11 o f t h e s o , w ar e F l u e n t． T h e t o r q u e ofth e w i n d t u r b i n e i s o b t ai n e d u n d e r d iffe r e n t d e s i g n i n gp a r a m e t e r s ． e m a x i mu m p o w e r o ft h e w i n d t u r b i ne i s s e l e c t e d as t h e p e 咖r r n a c e t a r g e t ． 强e r adi u s o ft h e b l ade ， t h e b l a d e c h o r d , t h e n u mb e r oft h e b l ade a n d t h e h e i g h t o ft h e b l a d e h a v e g r e at i n flu e n c e o n t h e p o w e r oft h e w i n d t u r b i n e ， and t h e f o u r m ain f a c t o r s are s e l e c t e d∞ v ari a b l e s ． A n o r t h o g o n al e x p e r i me n t o p t i mu m d e s i g n me t h o d o l o g y is a d o p t e d f o r o p t i m i z i n g t h e p a - r a me t e r s of t h e w i n d t u r b i ne． T h e o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t r e s u l t i s p r o c e s s e d b y t h e r a n g e analy s i s ． The c o n c l us i o n c a n b e ma de t hat t h e o pt i mu m para me t e r s o n t h e r o t o r b y o r t h o g o n a l e x pe r i me n t o pt i mu m d e s i g n a r e RI ． 05 m ， N5， C0 ． 1 4m ， HI ． 4 m． Th e o pt i mu m s o l u t i o n i s s i mi l ar t o t h e s o l u t i o n b y o t h e r o pt i mu m d e s i g n s ． I t c a r t n t h e g o al t o o p t i mi z e t h e s t r aig h t - b l ade d v e r t i c a l a x i s wi n d t u r b i n e ． Ke y W o r d s S t r a i g h t - Bl a d e d Ve r t i c a l Ax i s W i n d Tu r b i n e ；2 D Nu me r i c a l S i mu l a t i o n s o f Th e Fl u i d Fi e l d；Or t h og o na l Exp e r i m e nt Op t i mum De s i g n；Ra ng e An al y s i s 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 引言 虽然水平轴风机是 目前世界上的主流风机， 其技术已经发展 的比较成熟 。但是随着科学的发展 ． 垂直轴风机越来越得到广泛的 关注， 与水平轴风机相比有许多优点。研究垂直轴风机风轮的空气 动力学性能是垂直轴风机 总体与结构设计的基础和关键， 直接影响 到整个风机的风能利用率【l 】。使用基于有限体积法 F v M 的商业 软件 F l u e n t ， 对风机 叶片的绕流情况进行 了二维数值模拟 ， 得到 风轮的转矩。在风轮中， 叶片安装半径、 叶片弦长、 叶片数和叶片 高度是影响风轮效率的主要因素。 为此以风轮转矩最大为性能指 标， 选取对风轮转矩有直接影响的因素作为自变量， 采用正交试 验优化设计方法对风轮进行优化， 对正交试验结果进行极差分析 和方差分析 ， 得到四个主要 因素对风轮转矩大小的影 响程度。通 过关注主要的影响因素， 来提高垂直轴风机的空气动力学性能。 2数值模拟 2 ． 1数值模型 由于来流风速和叶片的旋转切向速度较低， 可视空气为不可 ★来稿 日期 2 0 1 1 - l 1 1 3 ★基金项 目 国家自然科学基金项 目 5 1 1 7 5 2 9 7 压缩流体日 ， 采用雷诺 R e y n o l d s 平均法， 求解雷诺时均 R AN S 方 程，连 续 方 程 和 动 量 守 恒 方 程 描 述 如 下 口 拿 0 1 吼 o u i ． ou j _ ] J_ 一 O P 0 t 2 式中 P 一流体密度； 甄、 方向矢量 、 u 厂速度矢量 ； 湍动 黏度 ； 力 ； ．s ． 一源项。 湍流模型采用k - e低雷诺数双方程湍流模型，约束方程描 述如下 0 t 毒 毒 ㈥ 毒 毒 G ≠ ㈩ 其 中 等 毒 盟8x i c5 ／ z - ／z ／ x , ， p 6 第 9期 汤双清等 直叶片垂直轴风机气动设计参数分析 6 7 2 _ 2模型的创建 根据叶素动量理论， 整个叶片可以看作由有限个叶素组成， 通过对各个叶素求取空气动力学性能参数， 进行积分可以得到整 个叶片的受力性能。因此采用翼型 N A C A 0 0 1 8 进行建模， 对模型 进行二维 C F D数值模拟， 得到不同参数下风轮的输出转矩。 下面以3叶片， 风轮半径 R O ． 9 m， 叶片弦长 C O ． 1 m， 叶片高 度 H l m为例说明叶片的二维 C F D数值模拟过程。 在进行 C F D计算前需要对直叶片垂直轴风机简化， 由于风 轮中连杆 、 转轴等构件对风轮周围的流畅影响不大， 在 C F D建模 过程中可以简化掉， 在 G A MB I T软件中简化后的二维风轮模型， 如图 1 所示。 图 1简化后的风轮模型 图 2风轮外流场计算区域 如图 2所示。 风轮外流场计算区域分布在 I O x l O D D为风 轮转子的直径 的范围内， 计算区域分为转动区域和静止区域， 图 中叶片所在的圆环区域为旋转区域， 圆环内部圆周区域和外部矩 形区域为静止区域。 划分网格时， 采用滑动网格模型， 可以真实的 模拟转子周期性变化的非定常流动， 旋转区域和静止区域的网格 之间沿界面作相对运动， 而且网格界面上的节点无需对齐 ， 因此 可以对转动区域和静止区域分别划分网格。 静止区域的几何结构 简单， 可分块划分结构化网格。 旋转区域的几何结构稍复杂， 需要 对叶片周围网格进行加密处理， 如图3所示。然后划分非结构网 格。整个流场网格划分， 如图 4 所示。 图 3叶片附近网格加密处理 图 4整个流场网格划分 2 ． 3边界条件及相关参数设置 假定风由左侧向右侧吹， 边界条件设定如下 1 人口边界 矩形左侧的短边设置为均匀来流速度入口边 界 ， 来 流速度为 V 9 m ／ s 。 2 出口边界 矩形右侧的短边设置为压力出口边界。 3 对称边界 矩形的上下两侧短边设置为对称边界条件 ， 其数学意义为法向速度为零， 且其他物理量的法向梯度为0 。 4 壁面边界 三个叶片的边线设置为无滑移壁面边界条件。 5 滑移边界 在旋转区域和外流场结合面处以及旋转区域 和内部静止区域结合面处分别设置为滑移面。 由于采用滑移网格 技术，故需在叶片旋转区域和和静止区域设置成不同的流体区域， 内部静止区域设置为F l u i d 1 ， 旋转区域设置为 F l u i d 2 ， 在 F l u e n t 中 设置为 Mo v i n g me s h ， 旋转速度为 3 5 r a d ／ s ， 同时设置3个叶片的运 动模式为旋转模式， 其转动速度与 F l u i d 2区域同步， 外部流场区 域设置为 F l u i d 3 。 2 ． 4求解计算 采用标准 k - e湍流模型， 选用二阶迎风差分格式离散， 各项 残差均控制在 1 ． O x l O 。 ， 每个 时间步长 内迭代 2 O次 ， 时间步长取 为 O ． 0 0 2 s ， 计算时间长度取至少 5个转动周期。在计算过程中对 残差和叶片受 到的力矩系数进行监测 ， 得到转矩监测 曲线 ， 如 图 5 所示。 图 5叶片受到的力矩监测 曲线 由转矩系数曲线图可知，风轮在转动过程中由于人流角的 不断变化 ， 转矩是波动的。可以看到在计算 的前 0 ． 5 s 内力矩曲线 变化毫无规律， 这是因为在计算的初始时刻， 流场的流动为未充 分发展的湍流， 随着计算的展开流动充分发展， 叶片收到的转矩 也就呈现出周期性变化。 在叶片受到周期性力矩的范围内对力矩 系数取平均值 ， 即可得到叶片在一个周期内所受到的平均转矩系 数， 根据以下公式 ， 即可求得风轮的功率。 C ， H 7 8 ‘ 0 ． s py ‘ L‘ 6 8 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 9 S e p t ． 2 01 2 3风轮功率影响因素的正交试验设计 3 ． 1正交试验的因素与水平确定 对风轮功率系数有直接影响的因素为叶片安装半径、 叶片数、 叶片弦长和叶片高度， 故以这4 个参数作为正交试验的因素， 以叶轮 功率的大小作为正交试验的性能指标进行正交试验。 参照文献[6 1 中 直叶片垂直轴风机叶轮的相关参数， 选取直叶片垂直轴风机叶轮的来 流风速为 V 9 n g s ， 尖速比为A 3 5 ， 叶片翼型为N A C A 0 0 1 8 ， 叶片安装 半径 尺的范 取 O ．9 ～ 1 ．2 m， 叶片数 Ⅳ取【 2 ～ 5 ， 叶片弦长 c的范围 为 0 ． 0 8 4 ． 1 4 m， 叶片高度 日的范围为为 0 ． 8 1 ． 4 m， 。按照以上 4 个I 素的取值范围， 每个 因素取 4 个水平， 因此选用 4 水平表 ； 本试 验不考虑交互作用， 一共有 4个因素， 因此选 。 4 最合适 。其 交试验 的因素水平表 ， 如表 1 所示 。 表 1风轮功率正交试验因素水平表 叶片安装半径 R 叶片数 _】v 叶片弦长 c 叶片高度 H 水 平 3 _ 2正交试验方案组合 列出风轮功率正交试验的方案组合，由第一节中 F l u e n t 数 值模拟的结果可以计算 风轮 的功率 ， 得 出各试验的各项指标结 果 ．L 吱 验方案组合及各试验指标结果 ， 如表 2所示。 表 2风轮功率正交试验的方案组合表及指标结果 3 ． 3 极差分 析 从表 2中的 9次试验结果看出， 第 4号试验的功率最 大， 为 6 7 3 ． 7 5 W。但 第 4号试验方案不一定是最优方案 ， 还应该通过进 一 步的分析寻找出可能的更好的方案[8 1 。 用叠、 、 、 瓦 表示风轮 功率往每一水平下的平均值 ， 如表 1 所示。从理论上算出最优方 案为 R取 1 ．0 5 I 1 1 ， N取 5 ， C取 0 ． 1 4 m， 日取 1 ．4 m， 画出个 因素 的趋 势 冈， 如图 6 所示。极差分析 ， 如表 3所示 。 钆 懈 霞 量 因素水平 图 6因素水平趋势 图 表 3极差分析 由表 3中的极 差分析可知 素 Ⅳ的极差最大 ， 因素 H次 之， 因素 c较次之， 因素 最小， 表明叶片数因素对风轮功率影 响程度最大 ， 叶片高度[ 大 J 素对风轮功率影响程度次之 ， 叶片弦长 凶素对风轮功率影响程度再次之， 叶片安装半径因素对风轮功率 影响程度最小。 由于风轮功率值越大越好 ， l大 J 此取 1 ． 0 5 m， N 5 ， C 0 ． 1 4 m， H I ． 4 m为最优组合。即通过正交试验优化设计所得到 的直叶片垂直轴风机风轮空气动力性能最优的一组风轮参数为 R I ．0 5 m ， N 5， C -- 0 ． 1 4 m， H1 ． 4 m。 4 结论 1 采用滑移网格技术对 9 m ／ s 来流风速下直叶片垂直轴风 机的风轮进行合理的建模并对其边界条件进行设定， 通过数值模 拟获得不同风轮设计参数下的风轮的功率。 2 在使用正交试验 优化设计方法选择各个因素的水平时， 人为地根据其常规取值范 围选取为整数， 不需要圆整处理。通过正交试验优化设计所得到 的最优解与一般优化设计所得的结果类似， 能够达到对直叶片垂 直轴风机风轮进行优化的 目的。 参考文献 [ 1 ] 郑云 ， 吴鸿斌 ， 杜堂正． 基于叶片弦长的小型 H型垂直轴风机 气动性 能分析[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 0 9 5 1 9 0 1 9 2 ． [ 2 ] 杨从新， 巫发明 ， 张玉 良．基于滑移 网格的垂直轴风力机非定常数值模 拟 [ J ] ．农业机械学报 ， 2 0 0 9 ， 4 0 6 9 8 1 0 2 ． 1 3 j Ya n L i ， S h e n g ma o L i ， F a n g F e n g ． C o m p u t e r S i m u l a t i o n o n t h e P e r f o r ma n c e o f a C o m b i n e d t y p e V e r ti c a l A x i s Wi n d T u r b i n e [ C] ． I C C D A， 2 0 1 0 2 4 7 25 0 ． [ 4 ] 陈卫勇． 基于 C F D数值模拟的垂直轴风力机气动设计[ J J _ 哈尔滨工业 大学学报 ， 2 0 0 9 1 2 ． 1 5 J We i y o n g C h e n ， C ．Y．Z h o u ．Ap p l i c a t i o n o f N u m e r i c a l S i mu l a t i o n t 0 Ob t a i n t h e O p t i m i z a t i o n P i t c h A n e f o r V A WT [ C ] ． WN WE C ， 2 0 0 9 1 5 ． [ 6 ] 金雪红，直叶片垂直轴风力机风轮气动性能预估[ n西安理工大学学 报 ， 2 0 1 0 3 ． [ 7 ] 王颉．试验设计与 S P S S 应用 [ M] ． 北京 化学 丁业出版社 ， 2 0 0 7 1 ． [ 8 ] 陈魁．试验设计与分析[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 7 ．