【摘 要】通过运用CFD数值分析软件FLUENT，对H型垂直轴风力机叶轮的流场进行数值模拟。采用了RNGk-ω湍流模型与滑动网格技术相结合的方法模拟了风力机叶轮旋转时流场的变化规律，揭示出了风力机内部及尾流在不同来流风速下的的流动变化规律，可以为工程分析提供参考。
【关键词】垂直轴风机；风轮；数值模拟
上世纪50年代初，研究流体运动规律的方法主要有理论分析方法和实验研究的方法，理论分析方法是利用简单流动模型假设计算出某些问题的解析解。实验研究方法耗费巨大，而理论分析方法对于复杂的非线性流动问题目前还无法计算。20世纪70年代以来，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）的飞速发展为实验研究和理论分析都起到了促进作用，同时为简化流场的计算模型提供了更多的依据，让更多的分析方法得到发展和完善。
1.数值模型
2.模型的创建
在进行CFD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CFD建模过程中可以简化掉，在GAMBIT软件中简化后的二维风轮模型如图1所示。
如图2所示，风轮外流场计算区域分布在10D×10D（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[3]，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。
3.边界条件的设置
边界条件的设置是FLUENT分析问题中非常关键的一部分，往往关系到模拟的成败。先在GAMBIT中设置边界条件的类型，设置如下：
然后在进入FLUENT后对边界条件进行赋值，对于速度入口，将速度大小设置为9m/s，方向与入口边界垂直；圆环转动区域的转动速度设置为35rad/s，转动类型为“Moving mesh”；叶片的壁面条件设置为转动的，并且转动速度与周围流体区域的转动速度相同。然后将两组边界类型为“interface”的交界面耦合在一起。
4.计算结果分析
以参数R=0.9m，N=5，C=0.14m，H=1.4m叶轮为例，进行计算。
4.1整个流场分析
从图中，我们可以发现，叶片周围的流场速度远高于流场其他位置的速度，最大流速为41.6m/s，每个叶片周围形成了小尺度漩涡；叶轮转子的旋转轴对整个流场有着一定的影响，特别是在旋转轴的尾部区域速度明显降低；流场速度从靠近叶轮前开始逐渐减小，经过叶轮后继续减小，并且在叶轮流场的尾部区域形成了大尺度漩涡，随着尾流逐渐远离叶轮，尾流速度逐渐增大并接近来流风速。
4.2不同位置角的流场分布
从图中可以看到叶轮周围的流场呈现出非常强的非定常性，叶轮顺风侧（θ=90°～270°）的流场速度要高于逆风侧（θ=-90°～90°），在不同的位置角上每个叶片的尾部区域显示出不同的漩涡，而且叶片前缘处的流速要大于后缘处的流速；在位置角为 和 处的流场分布基本相同，当叶轮从0°转到360°的过程中，整个叶轮的尾部的低速区域范围越来越大。
4.3不同来流风速下的流场分布
在额定转速为334rpm的工况下，分别给定来流风速为8m/s，10m/s，进行计算后得到不同风速下叶轮的空气动力性能，不同来流风速下流场的速度等值线分布图如下。
对比不同来流风速条件下的流场速度等值线图，可以看到随着风速的增大，叶轮周围的流场速度也随之增大，整个流场的尾流扩散区域逐渐增大，且尾流扩散区域的中心的最小速度也随之增大。
5.结论
通过分析得到如下结论：风轮周围的流场呈现出非常强的非定常性，在一个周期内不同位置角的流场特性不同；单个叶片在一个周期内转动过程中，翼型周围的流场呈现周期性变化；不同风速条件下的流场特性也不相同。 [科]
【参考文献】
[2]严强，蒋超奇.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上海电力，2007（2）：166-167.
[3]Vogel J.Wind： a hard-blowing history[J].The Environmental Magazine，Jan-Feb，2005.
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