《布置粗糙帶的垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性研究》論文發(fā)表期刊：《可再生能源》；發(fā)表周期：2020年12期

《布置粗糙帶的垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性研究》論文作者信息：通訊作者： 陳永艷（1976-），女，博士，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)能利用技術(shù)。

　　摘要：為提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，改善其輸出特性，文章首先在NACA0012翼型壓力面后部布置粗糙帶，以粗糙元高度、間距高度比以及葉片安裝角作為3個(gè)影響因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì);然后通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：粗糙元高度對(duì)風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)的影響比間距高度比大;粗糙帶可顯著提升風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)，最高可提升33%;粗糙帶可有效提高風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能，當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，與光滑翼型風(fēng)力機(jī)相比，平均靜態(tài)扭矩系數(shù)可提高49%。

　　關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力機(jī);粗糙帶;輸出特性;扭矩系數(shù)

　　0引言

　　由于化石能源的不可再生性，以及世界范圍內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展包括風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源已經(jīng)成為人們的共識(shí)。垂直軸風(fēng)力機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需對(duì)風(fēng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到業(yè)界普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在優(yōu)化翼型改善氣動(dòng)性能方面進(jìn)行了諸多研究，并取得了較大進(jìn)展1。

　　Nagao SP和Boese M"將溝槽分別布置于葉片壓力面和吸力面進(jìn)行研究，結(jié)果表明，吸力面布置溝槽可以減小阻力，壓力面布置溝槽則會(huì)增加阻力，嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。汪泉問(wèn)分別用對(duì)稱翼型和非對(duì)稱翼型建立仿真模型進(jìn)行二維模擬計(jì)算，結(jié)果表明：在低葉尖速比下，非對(duì)稱翼型的氣動(dòng)特性較好;在高葉尖速比下，對(duì)稱翼型的氣動(dòng)特性較好。胡丹梅 對(duì)融合小翼風(fēng)力機(jī)在額定工況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同傾角的小翼會(huì)改變?nèi)~尖流場(chǎng)分布，從而改變?nèi)~尖部分和小翼的輸出功率的結(jié)論。郭少真n將不同的小翼布置于風(fēng)力機(jī)的后緣，結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)可通過(guò)小翼消除葉尖渦，進(jìn)而提升扭矩系數(shù)。董世充對(duì)翼型表面粗糙度變化時(shí)，在兩個(gè)特定攻角下翼型氣動(dòng)性能的變化情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在翼型吸力面、前緣和尾緣布置粗糙帶時(shí)，翼型的氣動(dòng)性能變化較大。李德順網(wǎng)運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)DU96-W-180翼型前緣不同磨損形貌進(jìn)行探究，結(jié)果顯示：形貌為小坑時(shí)，其對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響均較小;形貌為脫皮時(shí)，葉片會(huì)提前發(fā)生流動(dòng)分離，與光滑翼型相比，升阻比最高可減少60%左右。張旭[0針對(duì)考慮粗糙度敏感位置的風(fēng)力機(jī)翼型鈍尾緣改型前后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，揭示了鈍尾緣改型對(duì)表面粗糙翼型增升效果的影響規(guī)律，鈍尾緣改型使升力系數(shù)和最大升阻比均明顯升高，顯著改善了表面粗糙翼型的氣動(dòng)性能。上述研究表明，表面粗糙度對(duì)翼型氣動(dòng)性能有較大影響。目前，研究的翼型集中在水平軸風(fēng)力機(jī)翼型上，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型的研究鮮有涉及。

　　基于此，本文將粗糙帶應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力機(jī)，將其布置于翼型壓力面后部0.1C-0.6C處(C為弦長(zhǎng))，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，探究粗糙帶對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性的影響，為進(jìn)一步改善垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能提供參考。

　　1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　粗糙帶的主要參數(shù)為粗糙元高度h和間距高度比d，又因?yàn)槿~片安裝角對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能影響較大，本次正交試驗(yàn)選取了3個(gè)因素，分別為安裝角a，h和d，其中d為兩個(gè)粗糙元之間的距離與h的比值。a和d均選取了4個(gè)水平，根據(jù)以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)，a選擇了效果較好的4個(gè)角度。試驗(yàn)表明，當(dāng)風(fēng)速為15m/s，d為7時(shí)，增阻效果最好，結(jié)合設(shè)定風(fēng)速，本次正交試驗(yàn)選擇了該4個(gè)水平，詳細(xì)數(shù)值如表1所示。

　　考慮到粗糙元太高可能對(duì)風(fēng)力機(jī)原有氣動(dòng)性能產(chǎn)生反作用，故h選取了3個(gè)水平，因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)成的混合水平正交表，故須要用到“擬水平法"，具體為根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在h現(xiàn)有的3個(gè)水平中選一個(gè)較好的水平作為h的第四水平，這樣便可以采用Lo(4)正交表來(lái)安排試驗(yàn)。根據(jù)以上各因素和各水平的要求，采用La(4)正交表，該表為3因素4水平，試驗(yàn)次數(shù)為16次。

　　2風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

　　本次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)采用NACA0012翼型葉片，風(fēng)力機(jī)布置如圖1所示，葉片參數(shù)如表2所示。進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的目的是確定適合布置粗糙帶的最佳a(bǔ)和粗糙帶參數(shù)，這不僅可以為后續(xù)數(shù)值模擬提供指導(dǎo)和依據(jù)，還可以與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

　　2.1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方案

　　實(shí)驗(yàn)所用粗糙元截面為長(zhǎng)方形，考慮到可操作性，粗糙元截面長(zhǎng)度為5mm。為了減緩葉片壓力面邊界層的氣流速度，增大內(nèi)、外表面壓差，進(jìn)而提高升力系數(shù)，故將其布置于葉片壓力面后部0.1C-0.6C處。實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)風(fēng)能基地低速風(fēng)洞進(jìn)行，通過(guò)在風(fēng)洞口手持熱線式風(fēng)速儀標(biāo)定風(fēng)速，輸出風(fēng)速為9m/s，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載箱改變轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制葉尖速比A，通過(guò)觀察Fluke高精度功率分析儀來(lái)實(shí)時(shí)記錄風(fēng)力機(jī)瞬時(shí)功率。

　　2.2風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到無(wú)粗糙帶葉片風(fēng)力機(jī)與布置不同粗糙帶風(fēng)力機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的功率值，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)在不同工況下測(cè)得的功率隨入的變化趨勢(shì)基本一致，均在A為1.6時(shí)取得最大值。圖2為無(wú)粗糙帶風(fēng)力機(jī)和布置1-3型粗糙帶風(fēng)力機(jī)的功率隨入的變化曲線，1-3型粗糙帶具有普適性，一般性。

　　由圖2可知，當(dāng)入小于1.6時(shí)，粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)功率的提升作用較為明顯。

　　以A為1.6時(shí)進(jìn)行分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)a設(shè)為20，得到此時(shí)的h與d的交互作用表(表3)。表中數(shù)值為該工況下的功率值與光滑翼型風(fēng)力機(jī)功率值的差值。

　　依據(jù)表3的分析結(jié)果，當(dāng)d設(shè)為3時(shí)，得到h與a的交互作用表(表4)。

　　由表3，4可知：d無(wú)明顯規(guī)律可循，總體來(lái)看d較大時(shí)功率提升效果較好;h對(duì)功率的影響為1 mm>2 mm>3 mm，當(dāng)h為1 mm時(shí)，效果更好;除了安裝角之外，h對(duì)風(fēng)力機(jī)功率值的影響比d大。

　　3計(jì)算模型和數(shù)值模擬方法

　　3.1幾何模型

　　數(shù)值模擬可以靈活地設(shè)定參數(shù)，為確定更加合理的粗糙帶尺寸，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，圖3為翼型NACA0012表面粗糙帶分布圖。

　　將粗糙元為方形的粗糙帶布置于翼型壓力面后面0.1C-0.6C處，基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)論，h分別為0.8，12 mm和1.4 mm，粗糙元d分別為4，4.5，5和5.5，h與d依次組合匹配，研究h和d對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出特性的影響。為確保充分流動(dòng)，計(jì)算域長(zhǎng)為20D，寬為10D，風(fēng)輪距出口的距離為L(zhǎng)=15D。圖4為計(jì)算區(qū)域示意圖。

　　由于網(wǎng)格數(shù)量與質(zhì)量會(huì)直接影響模擬的效率與模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對(duì)翼型布置粗糙帶的網(wǎng)格區(qū)域，采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行加密，第一層網(wǎng)格高度Ah=0.002 mm，Y=1.5，時(shí)間步長(zhǎng)為0.004 7 s，為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)100所需時(shí)間。并設(shè)計(jì)多種網(wǎng)格劃分方案，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。布置不同高度粗糙帶的風(fēng)力機(jī)最佳網(wǎng)格數(shù)量：光滑表面模型為38.9萬(wàn);h為0.8mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量為41.3萬(wàn);h為1.0mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量為40.5萬(wàn);h為1.2 mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量為42.1萬(wàn);h為1.4mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量為43.6萬(wàn)。

　　3.2邊界條件

　　壁面附近采用增強(qiáng)型壁面函數(shù)。差分格式選取二階迎風(fēng)模式，速度與壓力的迭代求解采用SIMPLEC算法，收斂條件設(shè)置為殘差水平下降到10，本流場(chǎng)選取速度入口邊界條件，速度方向與入口邊界垂直，出口為壓力出口，上、下邊界和翼型表面均采用無(wú)滑移壁面邊界條件，靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)置為滑移交界面。

　　4結(jié)果與分析

　　4.1粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響數(shù)值模擬轉(zhuǎn)矩系數(shù)指風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩有多少被風(fēng)力機(jī)利用。

　　Ca-M

　　2PARV21)

　　式中：M為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩，N-m;V為風(fēng)速，m/s;R為風(fēng)輪半徑，m;A為風(fēng)輪掃略面積，m'sp為空氣密度，kg/m'。

　　圖6所示為不同粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的C隨A的變化曲線。

　　由圖6可知：因?yàn)榻?jīng)過(guò)了正交試驗(yàn)對(duì)粗糙帶參數(shù)的篩選，故模擬采用的不同粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)扭矩系數(shù)均產(chǎn)生了積極影響;當(dāng)A小于0.5時(shí)，布置有粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的Ca較光滑翼型風(fēng)力機(jī)略有提高;當(dāng)入為0.5-2.5時(shí)，不同的粗糙帶均對(duì)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生了不同程度的改善，并且當(dāng)A為1.5左右時(shí)，風(fēng)力機(jī)的C.取得了最大值，其中粗糙帶布置為1.2-4.5的風(fēng)力機(jī)表現(xiàn)最為突出，其最大Ca較光滑翼型風(fēng)力機(jī)提高了33%;當(dāng)入超過(guò)1.5后，由于動(dòng)態(tài)失速嚴(yán)重，C迅速下降。

　　4.2粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性性的影響在此采用光滑翼型和布置1.2-4.5粗糙帶的NACA0012翼型風(fēng)力機(jī)為計(jì)算模型，在風(fēng)速為6，8，10 m/s時(shí)，分別計(jì)算風(fēng)力機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)Ca隨旋轉(zhuǎn)角的變化情況，計(jì)算角度間隔為10"，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7可知：在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，無(wú)論布置粗糙帶與否，風(fēng)力機(jī)Ca的總體變化基本趨于一致，除風(fēng)速為10m/s時(shí)布置1.2-4.5型粗糙帶的風(fēng)力機(jī)外，其余工況均顯示，當(dāng)方位角為90時(shí)，風(fēng)力機(jī)C.最低;當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，與光滑翼型風(fēng)力機(jī)相比，布置12-45型粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的C.略有提高，并且這一現(xiàn)象在方位角超過(guò)900之后更加明顯;當(dāng)風(fēng)速分別為8m/s和10m/s時(shí)，在方位角為0-600時(shí)，布置粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的Ca略有提升，在方位角為60-1200時(shí)明顯增大。圖8所示為不同風(fēng)速下有無(wú)粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的平均Ca的柱狀圖。

　　由圖8可知：當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，無(wú)粗糙帶鳳力機(jī)的平均Ga為0.039，布置粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的平均Ca為0.058，提升了49%;當(dāng)風(fēng)速為8m/s時(shí)，光滑翼型風(fēng)力機(jī)的平均Ca為0.061，布置粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的Ca為0.078，提升了28%;當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，光滑翼型風(fēng)力機(jī)的平均Ca為

　　0.082，布置粗糙帶的風(fēng)力機(jī)的平均C為0.119提升了45%。因此，葉片外表面后部布置粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性影響明顯，當(dāng)風(fēng)速為6m/s時(shí)，粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)Ca的提升效果更加明顯。

　　5結(jié)論

　　本文通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比驗(yàn)證的方法，研究了不同尺寸的粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)的C、功率以及風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性的影響，得出如下結(jié)論。

　　0d無(wú)明顯規(guī)律可循，但可以看出d為4.5時(shí)，功率提升效果較好，h對(duì)風(fēng)力機(jī)C值的影響較d更大。

　　②不同粗糙帶對(duì)風(fēng)力機(jī)C均可產(chǎn)生積極影響，其中布置1.2-4.5型粗糙帶的風(fēng)力機(jī)，其最大C較光滑翼型風(fēng)力機(jī)提高了33%

　　③粗糙帶可有效提高風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能，當(dāng)

　　風(fēng)速為6m/s時(shí)，與光滑翼型風(fēng)力機(jī)相比，布置粗

　　糙帶的風(fēng)力機(jī)的平均靜態(tài)Ca可提高49%。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Mohamed M H，Ali A M，Hafiz A A.CFD analysis forH-rotor Darrieus turbine as a low speed wind energy converter[DJ]Engineering Science and Technology，2015，18(1)：1-13.

　　[2]舒超，蔡新，潘盼，等.垂直軸風(fēng)力機(jī)改進(jìn)翼型氣動(dòng)及

　　功率特性研究J.水電能源科學(xué)，2015，33(1);162-165.

　　[3]Nagao S，Breugelmans F A E.TS-25 investigation of riblets in a CDB，DCA and 65-S compressor cascade(Session B-1：Cascade Design 1)[A].TransporlationFrontiers for the Next Millennium：Mecting of the Institute of Transportation Engineers[C].Tokyo:Gas Turbine Society of Japan，1999.

　　[4]Boese M，F(xiàn)olttner L.Effects of riblets on the loss behavior of a highly loaded compressorcascade[A].Proceedings of ASME TURBO EXPO 2002[C].Amsterdam：Power for Land，Sea，and Air，2002.

　　[5]汪泉，陳曉田，黃攀，等.垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種翼型氣動(dòng)性能比較研究[J.可再生能源，2020，38(2)：119-204.

　　[6]胡丹梅，吳志祥，張開華，等，融合小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響[U].可再生能源，2019，37(9)：136-

　　1361.

　　[7]郭少真，陳永艷，田瑞，等，加裝后緣小翼的垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性研究1J可再生能源，2020，38(2)：193-198.

　　[8]董世充，王曉東，康順表面粗糙度對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響的數(shù)值模擬[J]工程熱物理學(xué)報(bào)，2015，36(6)：

　　1238-1241.

　　9]李德順，王成澤，李銀然，等.葉片前緣磨損形貌特征對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響[J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：269-275.

　　[10]張旭，劉海龍，王格格，等，考慮粗糙度敏感位置的鈍尾緣翼型氣動(dòng)性能研究[J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：82-89.