叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

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1、第33卷第9期可再生能源Vol.33No.92015年9月RenewableEnergyResourcesSept.2015叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究11，2111高强，蔡新，舒超，潘盼，郭兴文（1.河海大学力学与材料学院，江苏南京210098；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098）摘要：对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进，交错布置其叶片，设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率，结果表明，在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型

2、垂直轴风力机，在尖速比为1.6时，最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性，得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。关键词：叶片交叠布置；垂直轴风力机；功率系数；气动性能；尾流中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）09-1356-06DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.0130引言功率系数。相对于水平轴风力机，垂直轴风力机具有无1物理数学模型需对风机构、启动风速较低、方便维护、气动噪声1.1物理模型及几何尺寸[1]低等诸多优势。尾流影响

3、是垂直轴风力机运行实验选用麦克马斯特大学额定功率为3.5中不可避免的问题之一，尾流会降低垂直轴风力kW的H型垂直轴风力机，该风机主要参数见表[7]机的气动性能，减少风能利用率。李岩对垂直轴风1。力机的设计与实验进行了阐述，指出垂直轴风力表1麦克马斯特H型垂直轴风力机几何参数Table1ThegeometricparametersofMcMasterH-type[2]，[3]机由于尾流的存在减少了风机做功。蔡新基于verticalaxiswindturbines计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，翼型叶轮直径叶片长度

4、弦长安装角叶片CFD）进行了不同叶尖速比下垂直轴风力机运行mmm（°）数的数值模拟，指出上游叶片产生的近场尾流旋涡NACA00152.530.403会向下游延伸，并影响下游叶片的升阻力特性，使在建模软件UG中建立叶片交叠布置垂直轴[4]叶片扭矩输出峰值降低。杨从新采用滑移网格风力机的几何模型，如图1所示。技术对直叶片垂直轴风力机进行了非定常数值模[5]拟，指出尾流的存在增大了风能损失。惠万馨采用Fluent中的滑移网格技术对垂直轴风力机的叶片1流场进行了三维数值模拟，结果表明风轮内部流场分布较为紊乱，且在叶轮后方形成尾流区，尾流叶片3区随着延伸与

5、自由流汇合，不断变窄，尾流的存在[6]减小了下游叶片的做功能力。叶片2由此可见，研究新型垂直轴风力机减少尾流影响，进而提高风能利用率具有非常重要的意义。因此，本文在传统直叶片垂直轴风力机基础上，改变垂直轴风力机叶片的高度分布，使叶片上下交图1风力机模型叠，成功的降低了尾流影响，提高了垂直轴风机的Fig.1Windturbinemodel收稿日期：2014-12-10。基金项目：江苏高校首批2011计划"沿海开发与保护协同创新中心"计划（苏政办发[2013]56号）；南通市科技计划引导专项（2013400303）。作者简介：高强（1989-），男，

6、博士，研究方向为风力机叶片气动性能。E-mail：gaoqiang12@126.com·1356·高强，等叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究将麦克马斯特H型垂直轴风力机的3个叶1528975个，节点总数530036个。网格模型如片设置在不同高度，叶片3最高处在叶片1中部图3所示。截面处，叶片3最低处在叶片2中部截面处。此设计目的为了减少尾流对叶片1上部分和叶片3下部分影响，从而提高垂直轴风力机的气动性能。1.2数学模型1.2.1控制方程旋转域基于不可压缩的连续方程和雷诺平均的N-S图3模型网格方程，计算风力机流场气动特性。Fig.3Modelg

7、rids坠ρ1.2.3边界条件+荦（ρV軑）=0（1）坠t假设当地空气温度为25℃。坠ρV軑对于外流场域，入流面设置为速度入口，风速+荦（ρV軑×V軑）=-荦p+荦軋τ+ρ軆f（2）坠t值为10m/s，方向垂直于入流面并指向流场内部，式中：ρ为流体密度；t为时间；V軑为速度矢量；p为风场顶面以及左右两面设为对称边界，地面和塔架设为无滑移壁面边界，出口设为压力出口，相对表面压力；軋τ为表面应力矢量；軆f为单位质量体积力压力为0Pa。矢量。对于旋转域，根据工况设定旋转速度，叶片设1.2.2网格划分为无滑移壁面边界条件。图2为风场布置平面示意图。ABC

8、D为风轮1.2.4非线性分析求解设置叶片和转轴以及风轮旋转域和外流场域组成的区湍流模型选取剪切应力运输模型（Shear域。StressT