不同对称翼型h型风力机气动性能数值模拟研究

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1、第37卷第6期武汉理工大学学报(交通科学与工程版)VoI_37NO．62013年12月JournalofWuhanUniversityofTechnologyDec．2O13(Transportati0nScience&Engineering)不同对称翼型H型风力机气动性能数值模拟研究叶涛刘猛(武汉理工大学机电工程学院武汉430070)摘要：风轮是风力发电机利用风能的核心部件，而翼型作为风轮的关键零件，其结构参数的选择的不同会对风力机性能造成极大的影响．文中选取3种常用的H型垂直轴风力机NACA系列对称翼型的绕流流动，建立其湍流流

2、场的模型，采用移动网格技术对其进行数值分析与计算，得出风轮的力矩系数、功率及风能利用率的变化规律，在此基础上，分析了不同的对称翼型对垂直轴风力机风轮气动性能的影响．根据其气动性能曲线，拟合出给定工况下，风能利用率随尖速比的变化公式．关键词：H型风力机；对称翼型；气动性能；数值模拟中图法分类号：TM315doi：10．3963／j．issn．2095—3844．2013．06．0350引言要有模型法和数值计算法．随着计算流体力学的发展，CFD技术在工程上得到大规模的应用，应用CFD软件已能快速准确的模拟垂直轴风力发风力机是将风能转换

3、为机械能继而转换为电电机外部的非定常流场，同时能获得各叶片力、扭能的装置．根据风轮转轴与风向位置的不同分为矩等特性．与管流法、涡流法等分析方法相比，水平轴与垂直轴风力机．垂直轴风力机以其结构CFD技术通用性更强，适用性更高，计算结果更简单，造价低，安全性高，噪声小等优点，成为近些直观，更准确．因此，应用CFD技术对风力机进行年的相关领域的主要研究方向．国内学者对于这研究已成为一种新的技术研发手段_2]．方面的研究起步较晚，而且大多集中于相对简单本文基于FLUENT软件，采用移动网格技的H型垂直轴风力机_】]．术，对垂直轴风力机的N

4、ACA0012，NACA0015，目前，对H型垂直轴风力机的研究集中在叶NACA00183种不同翼型的风力机气动性能进行片结构设计及风轮气动性能分析2个方面．叶片了数值模拟研究，得到其转矩系数和风能利用率的结构设计主要是通过修型或添加加强筋对现有系数的变化规律，分析了不同翼型对垂直轴风力的翼型进行改进；风轮的气动性能分析主要基于机气动性能的影响，并根据气动性能曲线，拟合出结构参数的调整．垂直轴风力机的结构参数包括风轮风能利用效率随尖速比的变化公式，便于量叶片安装角、翼型、安装半径、叶片弦长等．不同的化分析，为今后H型垂直轴风力机的

5、优化设计及结构参数会对风力机的性能造成重大影响．翼型改进提供理论依据．为了最大限度提高气动效率，翼型特性应具有下列要求：具有较高的升阻比以达到较大的功率输1数值模拟计算方法出；有较好的失速特性以适应经常在失速的工况下运行；翼型的升力系数大，阻力系数小．小型H型1．1控制方程垂直轴风力机一般采用NACAO0对称翼型．流体的流动一般要遵循3个最基本的守恒定用于垂直轴风力机设计和计算的常用方法主律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定收稿日期：2013-08—20叶涛(1972一)：女，副教授，主要研究领域为数字制造技术、先进制造理

6、论与方法武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2013年第37卷律．在流体力学中具体体现为连续性方程、动量方程和能量方程．控制方程为守恒定律的数学描述．为了便于分析，易于求解，将上述3个方程进行综合，建立控制方程的通用形式．若用表示通用变量，即可得统一表达式如下．图1三种翼型横截面轮廓线()+div(pO~)一div(Fgradio)+S(1)风轮是垂直轴风力机的主要载风装置，由叶式中：为通用变量，可代表速度、温度等求解变片，水平支架，轮毂，等部件组成．其中，叶片作为量；J0为流体密度；r为扩散系数；S为源项；U为影响风轮内流场的重

7、要部件予以保留，其余部件方向矢量．可进行合理简化．在遵循模型建立的物理真实性1．2湍流模型及计算可行性原则下，建立垂直轴风力机的CFD垂直轴风力的外流场为非定常流动，风轮旋数值模型．采用移动网格技术来模拟风轮的运转，转产生强烈扰动，故选用RNG肛e模型较为合计算域见图2．取风轮安装半径的0．8倍和1．2理，它是对瞬时N-S方程用重整化的数学方法推倍间的区域作为转动区域，如图Zone2所示．导出来的模型．RNG模型主要针对的是高雷诺数Zone1和Zone3通过2个交界面与Zone2进行相流动问题，可以更好地处理高应变率及流线弯曲对转

8、动和流量的传递．程度较大的流体．此外，还须配合采用增强壁面函数才能达到较好的模拟效果．RNG模型的输运方程为嘲．+一3育十—一—x—il差]l十Gk+十+一Ok7+aaz，azI～厂。azJl图2垂直轴风力机CFD数值模型计算域C厂1e一L／2eI