基于滑移网格的H型垂直轴动态气动特性分析.pdf

3 6 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41，No ．1 0， 2 01 3 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 3 1 0 0 0 3 6 0 5 基于滑移网格的 H型垂直轴动态气动特性分析 高伟 ， 李春 ， 叶舟 ， 聂佳斌 1 ． 上海理工大学 ， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 ． 大唐集团华创风能有限公司技术研究院， 山东青岛 2 6 6 0 0 0 摘要 垂直轴风力机的气动特性非常复杂， 采用工程气动模型会有较大误差， 因而本文针对 N A C A 0 0 1 2翼型， 基于滑 移网格技术， 并选用 S p a l a r t A l l m a r a s方程湍流模型和基于压力的 S i m p l e算法对 H行垂直轴风轮流场进行瞬态 C F D计 算 ， 整个计算结果通过了严格的网格数和计算区域验证。同时， 本文通过对流场的分析， 获得了风力机的动态失速与升 阻力系数等气动特性， 计算结果对 H轴风力机的设计与开发具有一定理论价值。 关键词 垂直轴风轮； 动态失速 ； 气动特性； 计算流体力学 中图分类号 T H 4 3 ； T K 8 3 2 ； T U 8 3 4 ． 3 文 献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 0 8 Ana l y s i s o f Dy na mi c Ae r o dy na mi c Pe r f o r m a nc e f or H- t y pe VAW T Ba s e d o n S l i d i n g M e s h Te c h n i q u e GA O We i ， L I C h u n ，YE Z h o u ， NI E J i a ． b i n I ． U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 ． T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a D a t a n g G r o u p C r e a t i v e Wi n d E n e r g y C o ． L t d ． ， Q i n g d a o 2 6 6 0 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t t h e a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e fo r v e d i c a l a x i s w i n d t u r b i n e V A WTi s q u i t e c o m p l i c a t e d ．U s e t h e e n g i n e e r i n g a l g o r it h m t o e s t i ma t e i t s p e rfo rm ml c e wi l l g e n e r a t e h u g e r e s i d u a l s ．I n t h i s p a p e r ，t h e k i n d s o f NA CA 0 0 1 2 a i rfo i l h a v e b e e n s i mu l a t e d i n a C F D me t h o d ．T h e mo d e l ’ S t r a n s i e n t s i mu l a t i o n i S fin i s h e d o n t h e b a s i s o f s l i d i n g me s h t e c h n i q u e a n d i n a s s o c i a t i o n w i t h t h e S p a l a r t Al l ma r a S t u r b u l e n c e mo d e l a n d p r e s s u r e b a s e d S I MP L E a l g o ri t h m．S t ri c t v e r i fi c a t i o n h a s b e e n a d o p t e d t o e n s u r e t h e s i mu ． 1 a t i o n i S g r i d i n d e p e n d e n c e ． Me a n w h i l e ．t h e a n a l y s i s o n t h e fl o w fie l d c o n c l u d e d w i t h s e v e r a l a e r o d y n a mi c f e a t u r e s s u c h a s d y ． n a mi c s t a l l a n d t h e v a ri a t i o n o n c o e ffic i e n t o f l i ft o r c o e ffic i e n t o f d r u g ．T h e p a p e r h a s i t s t h e o r e t i c a l v a l u e f o r t h e d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f H- t y pe VAWT． Ke y wo r d s v e r t i c a l a x i s w i n d t u r b i n e V A WT ； d y n a mi c s t a l 1 ； a e r o d y n a m i c p e rf o rm a n c e ；C F D 1 前 言 垂直轴风力机无需对风 、 无调向装置 、 结构简 单 ， 齿轮箱 、 发 电机等设备 可安装在地面 、 维修方 便。但其 叶片旋转流场非常复杂 ， 因为在风轮旋 转一周的过程 中， 叶片攻角会 随着旋转方位角 以 及风速 不断 变化 ， 在 高风速 下亦 会产 生失速 效 应_ J 。故采 用工 程气 动模 型 会有 较 大 的误 差。 本文采用 s ． A S p a l a r t A l l ma r a s 湍流模型和滑移 网格对 N A C A 0 0 1 2翼 型小 型 H轴垂 直轴 风力机 二维流场进行非定常计算 ， 并对流场 、 升阻力特性 进行详尽 的分析。 2 数值计算方法 2 ． 1 控 制 方程 因外界来流速度和叶片的旋转切向速度较 低， 故空气可视为不可压缩流体。其三维非定常 不可压缩的连续方程和 N s方程为 0 1 ， 2 ， 3 1 收稿 日期 2 0 1 21 0 2 6 修稿 日期 2 0 1 21 2 0 3 资助项目 国家 自 然科学基金资助项 目 E 5 1 1 1 7 6 1 2 9 ； 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 博导类 2 0 1 2 3 1 2 0 1 1 0 0 0 8 ； 上海市 教委科研创新 重点 项 目 1 3 Z Z 1 2 0 3 8 F L UI D MAC HI NE RY Vo 1 ．41， No． 1 0， 2 01 3 计算域整体为圆形， 被划分为3 个区域 对应 半径分别为 R1 0 ． 8 R、 R 2 1 ． 2 R和 R 3 1 0 R。最 内部区域采用非结构化 网格 ， 而外部两个 区域均 采用 结构 化 网格， 计 算 区域 的 网格 总 数 为 2 1 5 2 0 3 ， 滑 动区域 的网格 数为 1 3 5 6 0 0 。其 中 ， 中 间翼型所在的环形网格 区域 为滑动 区域 ， 在滑动 区域的两侧 区域为静止区域 ， 翼型表面区域网格进行加密处理 ， 这种 网格 划分保证 了在近壁面处复杂流动的计算精度 ， 如 图4所示， 其中底层网格厚度为 1 ％ o 弦长， 距壁面 的距离为 1 0 X1 0 ～， 保证近壁 Y 5 。 图 4网格划分 叶片局部 3 ． 4边界条件与计算模型 3 ． 4 ． 1 边界条件设定 入 口边界位于外 围大圆的左圆弧 ， 为速度边 界 ， 给定速度为 1 0 m ／ s ， 方向水平向右 。出 口边界 位于外围大圆的右圆弧， 为压力边界， 给定压力为 0 P a 相对压力 。叶片部分是 真实存在 的壁面 ， 叶片在旋转 ， 将其设为无滑移、 无渗透壁面。滑移 面则采用 了滑移 网格技术 ， 将转动部分 的网格和 静止部分 网格 的交接面设置成 i n t e r f a c e 。滑移 网 格技术常适合处理带有周期性 的问题 ， 是模拟 多 移动参考系流场精确的方法， 特别适用于叶轮机 械的瞬态计算 。 3 ． 4 ． 2 计算模型 计算采用 F l u e n t 软件的s A湍流模型， 速度和 压力耦合采用S I M P L E算法， 对流项采用Q U I C K格 式， 扩散项采用二阶精度的中心差分格式。 多， 但计算精度也越好。然而， 当网格划分过于精 细时， 计算的精确性与稳定性则会受到空间步长 截断误差的影响， 同时 C P U负荷急剧加大， 计算 用时进一步增加。因此， 需要寻求一个关于网格 独立 的解 ， 即当网格划分细密到一定程度时 ， 即使 再进一步增加网格数 目， 其数值解在工程范 围允 许的偏差内几乎不再改变 。 本例中， 分别采用 1 5 ． 3万 、 1 6 ． 5万 、 1 8 ． 4万 、 2 0 ． 0万和 2 1 ． 6万的网格数目进行数值模拟， 如 图 5所示 。 0 ． 1l 籁 垛 墨 0 ．0 9 5 旨 擎 O． O 8 l 5 1 9 2 3 网格数 目 万 图5 不同网格数目取值的俯仰力矩系数 结果显示 ， 当网格数 目大于等于 l 6 ． 5万时， 其 俯仰力矩系数 C 平均值的偏差已在 1 0 I 3 以内。 因此， 后续计算中所采用的网格数目 取为 1 6 ． 5 万。 4 ． 2 不同计算域比较 理论上讲， 对于外部流动， 计算域应当取为无 限大 ， 此时边界 区域 的流动不会对需要描述 的流 场区域造成任何影响， 但实际进行数值模拟时， 必 须取定有限的计算域。然而， 过大的计算域， 会使 网格数 目增加， 消耗更多的计算资源； 而过小的计 算域 ， 则会使得边界流动条件的设定影响到需要 描述的流场结构 ， 无法保证计算结果 的准确性 ， 甚 至无法收敛。 本例中， 分别选取 1 O倍和 1 1 倍风轮直径的 计算域进行数值模拟。结果显示 ， 其俯仰力矩系 数 c 平均值的偏差为 1 O ～， 见表 1 。因此， 后续 计算中所采用的计算域为 1 O 倍风轮直径。 表 1 不同计算域取值的俯仰力矩系数 计算域半径 俯仰力矩系数 C 偏差 l O 0．1 l 1 2 l ％0 1 1 R O ． 1 1 1 4 4 网格独立性验证 5 流场特性分析 4 ． 1 不 同网格 数 目比较 通常而言 ， 网格划分越粗糙 ， 计算用时越少 ， 以 3 叶 片 风 轮 N A C A 0 0 1 2 翼 型 、弦 长 但计算精度也越差； 网格划分越精细， 计算用时越 2 0 8 m m 为例进行流场结构分析， 其在叶尖速比A 4 0 F L U I D MAC HI N ER Y V o 1 ． 41 ，No ． 1 0， 2 01 3 图中攻角的正负规定为 来流从翼型的外侧 吹 向翼型为正 ， 从 内侧吹向为负。图中可以看出， 在攻角和时升力系数达到极大值， 而静态失速中 攻角要明显小于这个值 。 图9给出了静态条件、 动态条件和无粘流条 件下的N A C A O 0 1 2的升力系数曲线和阻力系数曲 线图。静态和无粘流条件下采用的的雷诺数为 O ． 2 1 0 ， 动态条件下的雷诺数是变化的， 变化范 围为 0 ． 0 71 0 2 1 0 。 O． 8 0． 0 口r a 升力系数 。 b 阻力系数 图 9 不I 司条件 F 升力 、 阻力 系数曲线 从图 9 a 可 以看 出， 静态升力系数在攻角时 达到最大升力系数； 无粘流达到最大值， 当攻角时 计算不再收敛 ； 而在动态条件下攻角增大到才达 到最大值， 但在攻角减小的过程中， 对应攻角下的 升力系数要小于静态的。通过对 比可 以看出在小 攻角下采用无粘流计算的升力系数与实际结果相 差不大， 为了节省计算时间 ， 甚至有时可以用无粘 流来替代计算。但从图9 b 中可以看出， 在计算 阻力系数时 ， 无粘流中的阻力系数几乎都为零 ， 所 以在计算 中涉及阻力系数时不可用无粘流来替代 计算。静态条件下的阻力系数在时值很小， 而且 变化不大， 当有一个突然增大的变化， 阻力系数曲 线以一个较大斜率上升。而动态条件下在攻角增 大过程中阻力系数值要大于静态下的， 而且在时 出现 了一个 波动， 但攻 角减小过程 中， 除小攻角 外， 阻力系数要小于静态的。 7 结 论 1 据计算可知， 垂直轴风力机相位角为 3 0 。 左右时 ， 翼型吸力面开始出现附着涡； 随着相位角 的增大 ， 附着涡范围逐步扩大 ， 强度逐步增加 ， 并 逐步沿吸力面后移； 当相位角为 9 0 。 左右时， 到达 翼型尾缘 ， 然后随相位角的增大脱离翼型表面 ， 在 尾迹 中继续发展 ； 2 垂直轴风力机在小尖速 比翼型旋转过程 中出现大攻角的区域就 比较多 ， 因而易发生动态 失速； 3 通过对 比可 以看 出 ， 垂直轴 风力 机在小 攻角下采用无粘流计算的升力系数与实际结果相 差不大， 为了节省计算时间 ， 甚至有时可以用无粘 流来替代计算。而其阻力系数计算时则不可用无 粘流来替代计算。 参考文献 [ 1 ] 郑云 ， 吴鸿斌， 杜堂正， 等． 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 9，2 1 9 0 - 1 9 2 ． [ 2 ] F l u e n t I n c ． ， F L U E N T U s e r ’ s G u i d e [ Z ] ． F l u e n t I n c ． ， 2 0 o 3． [ 3 ] 危书涛， 陈学东， 崔军 ， 等． 超高压管式反应器端部 结构应力场 的数值模拟 [ J ] ． 压力容器， 2 0 1 2， 2 9 1 O 2 3 - 2 8 ， 3 5 ． [ 4 ] 张健宇 ， 李学敏， 陈帆， 等． H型垂直轴风力机翼型 的数值模拟及优化 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2， 4 0 1 0 3 340． [ 5 ] 李亮， 王瑞， 金晗辉． 基于非线性湍流模型的多翼离 心风机内部流场三维数值模拟及性能预测[ J ] ． 流 体机械， 2 0 1 2 ， 40 1 o 4 1 - 4 5 ． [ 6 ] 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 ， 作者简介 高伟 1 9 7 8 一 ， 男， 博士， 主要从事海上风力机研 究， 通讯地址 2 6 6 0 0 0山东青岛市崂山区泉岭路 8号中商国际大 厦 2 0层 。