风速对垂直轴风力机风轮气动性能的影响

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1、2010年第38卷第4期流体机械45文章编号：1005---0329(2010)o4—O045—05风速对垂直轴风力机风轮气动性能的影响金雪红，梁武科，李常(西安理工大学，陕西西安710048)摘要：不考虑连杆和转轴以及叶尖损失的影响，采用雷诺平均Navier—Stokes方程和k—tOSST湍流模型对直叶片垂直轴风力发电机风轮进行二维数值模拟，考虑风轮处于不同来流风速时，三叶片与五叶片风轮流场分布及压力场分布的异同。为后续研究提供良好的指导方向。关键词：垂直轴风力机；滑移网格；数值模拟；实度中图分类号：TK83文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1

2、005—0329．2010．04．011AerodynamicPerformanceoftheVerticalAxisWindTurbineonWindSpeedJINXue—hong，LIANGWu—ke，LIChang(XianUniversityofTechnology，Xian710048，China)Abstract：Withoutregardtolossofrodandshaft，aswellastheimpactoftip，usingReynolds—averagedNavier-Stokesequa·tionsandk-tOSSTturbulence

3、model，straightbladeverticalaxiswindturbinefortwo—dimensionalissimulated．Consideringthewindwheeltoflowatdifferentwindspeed，thethree—bladeandfive—bladewindturnsthefielddistributionandpressurefielddis—、tributionofthesimilaritiesanddifferences．Theaimistoprovideagoodorientationforthefollow—

4、upstudy．Keywords：vertical—axiswindturbine；slidingmesh；numericalsimulation；solidity1前言好、模型修改方便等特点，可以大量地减少计算试验成本和时间。本文采用Fluent软件和滑移网格技术对直叶片垂直轴风力发电机而言，由于其叶片对直叶片垂直轴二维风轮模型进行数值模拟。沿翼展方向是同截面的，而不像水平轴风力机叶片是变截面的，故近几年很多文献中提到了把三维简2数值研究方法化为二维进行CFD计算。文献[1]中把MATLAB的计算结果和数值模拟结果进行对比，验证了把三2．1湍流模型维简化为二维进行

5、CFD数值模拟的可行性等；文通过对不同湍流模型数值模拟的尝试和比献[2]中针对不同弦长下的小型H型垂直轴风轮较，建议对直叶片垂直轴风轮二维数值模拟采用模型，选用RNG两方程湍流模型，采用滑移网格技k一∞SST湍流模型。该模型具有良好的稳定性术分析了不同弦长下，功率、转矩、风能利用系数随和收敛性，能精确预报压力梯度流动的对数层，并转速的变化等；文献[3]中通过求解非定长不可压且对自由来流的湍流度也不敏感。缩Navier—Stokes方程，采用PISO速度压力修正算k方程：法，分析了不同时刻的速度场和压力场分布及风轮+v(pVk)叶片受力和转矩的变化规律。随着计算流体力

6、学CFD的发展，数值模拟技术=7[(+)vt3+P一fp如(1)日趋成熟。其方法具有信息量大、成本低、重复性收稿日期：2oo9—12—04修稿日期：2OO9—12—23FLUIDMACHINERYVo1．38，No．4，2010∞方程：风轮半径为1．5m，叶片弦长为0．15m，翼型采用NACA0012翼型，以风轮的中心点为坐标原+v(P)a点，计算域的方向的长度范围为(一l0，30)，Y=方向长度范围为(～10，10)，单位为m。叶片数V[(肛+)V]+(1一Ft)2p7k采用三叶片和五叶片。7+3PK一3pw(2)混合函数的表达式为：交界区域1Fl=tan(arg

7、)F2=tan(arg)(3)同时，由于原始k一∞模型没有考虑湍流剪应力的输运，Menter认为这会导致对于涡粘性的过分估计，因此提出应该使用以下公式对涡粘性进行限制：口lk，．、Ut—max(口{丽．5，，)L4交界区域2是类似，的混合函数，用来修正F。在自由剪切流中的误差。S是表示张力的常量。这就是以k一∞模型为基础的SST模型。图1静止网格与滑移网格间数据传递不意2．2滑移网格技术网格划分的好坏直接影响数值模拟的可行性滑移网格的基本原理是将几何模型网格划分和收敛性。利用Fluent前处理软件Gambit进行成几个区域，交界面两侧的网格相互滑动，而不要网格划