垂直轴风力机仿真与应用研究毕业论文.doc

目录垂直轴风力机仿真与应用研究毕业论文目录第一章 绪论11.1 小型风力机的研究背景与意义11.1.1 能源危机与风能利用11.1.2 小型风力机在离网式发电系统的应用11.2 风力机概述21.2.1 风力机的分类21.2.2 垂直轴风力机的优点31.3 垂直轴风力机研究现状与进展41.3.1 国外研究现状41.3.2 国内研究现状61.4 目前尚存在的问题71.5 本文的主要工作8第二章 垂直轴风力机工作原理与CFD方法112.1 垂直轴风力机气动原理112.1.1 翼型的定义与空气动力112.1.2 垂直轴风力机基本工作原理与结构参数132.1.3 垂直轴风力机的性能参数142.2 计算流体力学CFD技术162.2.1 CFD的发展与CFX软件162.2.2 湍流模型172.2.3 移动网格技术202.3 本章小结22第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析233.1 静态启动性能仿真计算模型233.2 计算方法243.3计算结果及分析253.4 叶片启动性能影响参数分析263.4.1 不同叶片安装半径下的风力机启动性能分析273.4.2 不同叶片弦长下的风力机启动性能分析273.4.3 不同叶片安装角下的风力机启动性能分析283.4.4 不同叶片数下的风力机启动性能分析293.5本章小结29第四章 垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置314.1 动态工作性能仿真计算模型314.2 计算方法324.2.1 边界条件的确定324.2.2 瞬态计算的处理方法334.3 风力机动态输出性能影响参数分析364.3.1 不同叶片安装半径下的风力机动态输出性能分析364.3.2 不同叶片弦长下的风力机动态输出性能分析384.3.3 不同叶片安装角下的风力机动态输出性能分析404.3.4 不同叶片数下的风力机动态输出性能分析424.4 不同风速下风力机输出性能研究与发电机配置444.4.1 发电机的功率输出与调节454.4.2 风力机额定风速和发电机额定功率特性的选择464.4.3 不同来流风速下风力机功率输出性能分析474.4.4 与风力机相适应的发电机性能选配分析494.4.5 发电机正常工作时的负载调节504.5 本章小结51第五章 垂直轴风力机尾流特性研究535.1 尾流的形成机理535.2 工程实例535.3 尾流特征仿真模型545.3.1 风力机分布545.3.2 网格划分与边界设定555.3.3入口处风速梯度565.4 计算结果与分析585.5 本章小结61第六章 总结和展望636.1总结636.2展望64参考文献65致 谢71III第一章 绪论第一章 绪论1.1 小型风力机的研究背景与意义1.1.1 能源危机与风能利用能源是人类赖以生存和发展的最重要的物质基础，每一次发现新的能源利用方式都会带来人类生产力的巨大提高，从而带来人类文明的进步。第一次工业革命就是源于蒸汽机的发明和使用，第二次工业革命开始于电力的广泛应用。随着上世纪下半叶和本世纪初全世界的发展，人类对能源的消耗日益增长。由于过度依赖煤炭和石油等不可再生矿物燃料，目前世界范围内矿物燃料的总量正在不断减少，价格日益攀高，并且由于燃烧矿物造成有害废气排放，导致地球生态和环境的不断恶化与温室效应。所以目前能源问题及其带来的环境问题成为制约很多发展中国家继续发展的一个关键性问题。由于风能拥有取之不尽，用之不竭，清洁卫生，分布范围广等特点，风能发电成为世界上许多国家可持续发展战略的重要组成部分。据统计，地球表面所接收到的太阳能辐射约有2%转化为风能，其总量十分可观，全球风能总量约为1300亿千瓦，其中可利用风能约为2107MW。在中国，根据科学家估计，在10m高度层中风能的总能量超过30亿KW，其中可以利用的风能资源约为2.5亿KW1。1.1.2 小型风力机在离网式发电系统的应用并网式发电系统指的是发电设备输出的电能经过转换成符合电网要求的交流电后，供入电网系统，经电网系统调节支配给各电力用户。离网式发电系统指发电设备产生的电能不经过电网系统，直接将电能供给用电设备。在人口稠密地区，并网式发电系统能够很好地调节电能的供需关系，有着很好的经济与社会效益。但是在海岛、边远山区、牧区以及轮船上，电网很难覆盖到或者覆盖延伸的成本很昂贵时，离网式发电系统此时就能很好的解决人民群众的生产生活用电问题。目前国内有大型MW级的水平轴风力机，以及小型的数十数百KW的风力机。由于小型风力机属于一次性投资设备，后期费用比较低，供电成本要低于电网延伸的供电方法和利用汽油/柴油发电机发电的供电成本，所以小型风力机对于边远地区用电问题的解决有很大的现实意义2。1.2 风力机概述1.2.1 风力机的分类风力机是将空气动能转换为机械能的装置，风力机可以分为两种类型，一种是旋转轴处于水平方向的水平轴风力机，另一种是旋转轴处于竖直方向上的垂直轴风力机；按照其工作原理，又可分为升力型风力机和阻力型风力机。(1) 水平轴风力机水平轴风力机的特点是旋转轴与来流方向相同，在风速恒定的情况下，水平轴风力机的优点是电能输出比较平稳。目前研究和应用比较成熟的是三叶片升力型水平轴风力机，如图1-1所示，该风力机目前在全世界得到广泛应用，其电能输出可达到MW级，风能利用率可达0.4-0.5，额定风速下叶片运行尖速比可达5-6，可以并入电网，解决大城市的电能紧缺。图1-1 水平轴风力机(2) 垂直轴风力机垂直轴风力机按照工作原理可以分为升力型垂直轴风力机与阻力型垂直轴风力机。升力型风力机包括型Darrieus风力机和直线翼型Darrieus风力机，升力型风力机转速快，所以主要用来发电。阻力型风力机主要包括垂直轴的萨渥纽斯型和涡轮型等风力机，该类风机转速不高，但输出转矩很大，所以常被用于提水、碾米和拉磨等提供动力3。Darrieus风力机是1931年被法国工程师G.J.M. Darrieus研发出来的4。Darrieus风力机主要结构形式有型和直线翼型。直线翼型风力机结构形式简单，但是在运行过程中叶片受到离心力作用，在与支撑杆连接处会产生弯曲应力，为克服弯曲应力而加强的支撑结构会产生空气阻力，从而影响风力机效率。型风力机弯曲的叶片在运行过程中只承受沿叶片切向的拉应力，不承受弯曲应力载荷，所以叶片可以做得更轻，可以以更高的转速运行,尖速比可以很高，对于给定的风力机重量和成本预算，能获得较高的功率输出。该型风力机多被设计为双叶片或三叶型5。(a) (b) (c) 图1-2 a为阻力型风力机、b为型风力机、c为H型风力机1.2.2 垂直轴风力机的优点(1) 工作风速低，风能利用率高Darrieus型风力机不需要像水平轴风力机那样需要调整方向以捕捉风能，任意来流方向下均可运转，减少了传动装置，一般当风速达到3m/s左右时即可正常发电6。根据著名的Bet z极限理论7，水平轴与垂直轴风力机的最大风能利用系数都是0.593。目前水平轴风力机的风能利用系数能达到0.4，在俄罗斯生产的垂直轴风力机进行实验表明风能利用系数达到0.40.58。(2) 垂直轴风力机成本低水平轴风力机重量大，成本高，是因为迎风风力机转子是逆风的，这对于叶片的刚度要求很高，不能被风折弯。同时也需要高强度的塔架足以支撑上部的机箱和叶片，不至于变形。所以需要大量强度很高的材料来制造叶片与塔架。设备重了，对基础的承载能力需要也就提高，必然加大造价。垂直轴风力机相比于水平轴的，就可以很大程度上减少重量，从而能够减少这些成本9。(3) 垂直轴风力机叶片使用寿命长水平轴风力机叶片受到水平方向的风荷载、垂直于转轴方向的离心力、还有自身的重力。在叶片旋转的过程中，惯性力方向一直变化，重力方向是不变的，这样叶片受到的是一种交变荷载，这对于叶片的疲劳损伤是非常不利的10。所以叶片发生的事故多是从叶片根部折断。而垂直轴风力机在旋转过程中，受到的重力和惯性力方向是始终不变的，而且垂直轴风力机的叶片主要承受的是拉应力，所以垂直轴风力机叶片使用寿命更长些。(4) 安装与维护保养比较方便水平轴风力机的发电机组一般置于几十上百米的高空，而且是一个可旋转360o的活动机舱，机组的重心比较高，安装与维护比较不便。而垂直轴风力机的机舱与齿轮等都在底部，安装和维护比较方便。所以选择垂直轴风力机能减少此类成本。(5) 环境效益好风力机运行时，尖速比越大，产生的噪音也会越大。垂直轴风力机的尖速比一般比较低，所以噪音的影响比较小；尖速比低，对于鸟类的危害也小。1.3 垂直轴风力机研究现状与进展1.3.1 国外研究现状早期对垂直轴风力机的研究，包括实验研究与模型计算。实验研究从叶片的气动性能方面研究测试风力机的功率输出特性。模型计算主要是分析叶片几何尺寸对风力机功率输出特性的影响。目前有4种模型可以用来计算风力机的特性，它们分别为单流管模型(Single Multiple-Streamtubes)、多流管模型(Double Multiple-Streamtubes)、Vortex模型、Cascade模型。1974年，Templin率先提出了基于动量定理的单流管模型(Single Multiple-Streamtubes)11， 该模型主要被用来计算Darrieus风力机的气动性能，该模型计算比较粗糙，不能反映出风力机上下游区域与周围的流动情况。1975年，Strickland提出了单流管模型(Single Multiple-Streamtubes)来计算垂直轴风力机的性能，主要通过研究风力机的密实度、叶片弦长和高径比等几何参数研究不同风速对风力机性能的影响12。1980年，Migliore和Wolfe13利用空气动力学分析了叶片在弯曲与直线流场下不同的力学特性，通过conformal mapping技术将Darrieus风力机周围对称运动的均匀流场转化为具有曲度和攻角翼型的流场，可由尖速比、旋转相位角、叶片安装攻角及弦长得出风力机气动性能。此外，由弯曲流场引起的边界层压力梯度增加，也影响了叶片上边界层分离。1980年，Jesch和Walton14研究了叶片相对攻角随着转动相位角和尖速比变化的关系。研究结果表明大多数Darrieus风力机不能自行启动，且只有在尖速比大于3时，叶片周围流场才能保持不过早分离，风力机可达到较高效率。1986年，Brochier等人15应用LDV与Dye emission对双叶片直线型叶片的Darrieus风力机产生的周期性涡流进行了研究，针对低尖速比下动态失速现象提出了动态失速导致涡流产生，涡流是两个由翼型前缘与后缘产生的相反方向的涡组成的，并以与来流相同的速度向后移动，但叶片穿过这对相互作用的涡，可以产生额外的工作动力。1990年，Berg等人16对Darrieus风力机叶片进行了研究，研究表明，风力机叶片的工作原理与航空叶片有很大的差异，风力机叶片在一个周期内会两次跨越0攻角，并有超过90的攻角。此外风力机工作雷诺数大概在105106，航空叶片雷诺数在106107。1994年，Tchon和Parachivoiu17使用二维非定常Navier-Stokes非线性流函数涡公式模拟了叶片周围流场，并与Oler等人的实验结果进行了比较，得出由于动态失速现象产生的多个前缘与后缘涡会影响翼型的切向力与法向力系数的峰值。2007年，Islam等人18-21应用多流管模型对直线型叶片Darrieus风力机进行了空气动力特征分析，列出众多能够使得垂直轴风力机具有良好启动性能与工作效率的翼型，提出对称翼型不适用于小型垂直轴风力机上，高升力低阻力的非对称厚翼型更加适用于低尖速比的垂直轴风力机。随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称为CFD)得到很快发展，近年来很多学者开始应用更为便捷的商业软件来计算分析垂直轴风力机的流场。2005年，Horiuchi等人22采用STAR-CD模拟二维垂直轴风力机的速度场，并与实验相比较，这样可以更快地设计风力机。2007年，Guerri等人23使用STAR-CD模拟了二维垂直轴风力机叶片的受力，湍流方程采用SST -，得出低尖速比下叶片周围有更强的涡流，此外叶片受力研究有助于研究风力机结构的流固耦合效应。Lida等人24采用大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)对叶片大攻角下大尺度失速与湍流尾流之间相互作用的影响。Ferreira等人25使用Fluent研究二维垂直轴风力机失速现象，得出不同的湍流模型模拟的结果不同，使用Laminar模型可模拟翼型前缘的层流分离，但会高估涡的发展，而一阶或二阶湍流模型会抵消翼前缘层流分离的最大法向力。另外Ferreira等人26采用动量方程理论计算叶片气动性能。Hamada等人27对垂直轴风力机进行三维模拟，研究了包括翼尖损失、转轴及支臂等对风力机性能的影响。2009年，Hwang等人28应用STAR-CD,采用-湍流模型研究了Darrieus风力机自行启动性能以及低风速和复杂流动情况下的功率输出。2010年，K.Pope29等人对垂直轴风力机添加挡风板后提高工作性能进行了分析。1.3.2 国内研究现状2005年苗佩云、朱永刚等人选用标准-湍流模型，应用动网格技术，运用有限体积法离散控制方程，采用分离隐式解法对垂直轴风力机旋转流场进行了数值模拟30。2009年，王鑫、童正明、王企鲲分析了垂直轴风力机风能利用率低的原因，并用数值计算方法对安装导叶的导流型垂直轴风力机气动性能进行了研究。研究结果表明：导叶除了能减缓来流对叶片造成的阻力转矩，还能提高来流对叶片压力面的有效转矩，因此导流型垂直轴风力机能够提高风能利用率 31。2009年，郑云、吴鸿斌等人对不同弦长的小型H型垂直轴风力机气动性能进行了分析。建立了风力机外流场数值模型，采用滑动网格技术，选用RNG湍流模型和基于压力隐式的Couple算法进行瞬态模拟计算，得出风力机气动性能曲线，进而分析了叶片弦长对小型H型垂直轴风力机气动性能的影响32。2010年赵炜、李涛以某一小型风力机作实例，分别运用Matlab和Fluent软件计算了垂直轴阻力型风力机的风能利用率。第一种方法是通过Matlab对风力机叶片受力分析，然后利用风力机功率计算公式计算；第二种方法是Fluent数值模拟叶片气动流场流态，并计算出风力机的扭转力矩和风能利用率等参数。比较了两种方法的优缺点，有助于垂直轴风力机的设计研发33。2011年姚激、黄剑峰等人做了关于变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟，应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用-湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF移动网格技术,模拟出垂直轴风力机的流场特性。并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得出叶片压力分布和转矩值。论证了绕流场模拟能有效地计算出风力机在不同攻角下的流场状况34。1.4 目前尚存在的问题从上述垂直轴风力机国内外研究现状与进展看，相比于水平轴风力机，目前对垂直轴风力机流场的数值模拟计算的研究相对来说不是很完备，对于垂直轴风力机气动特性的研究尚存在以下几点不足：(1)垂直轴风力机的启动性能研究方面为了更有效利用低风速区的风能，垂直轴风力机的启动性能研究尤为重要，而目前国内外对于垂直轴风力机启动性能的研究较少。(2) 垂直轴风力机关键参数的影响与发电机配置对于垂直轴风力机的研究，需要研究弦长、安装角等关键参数对于其相关性能的影响，同时为了最大限度利用各风速下垂直轴风力机功率输出，需要研究发电机特性，然后将风力机与发电机的特性做对比研究。(3) 风场中的垂直轴风力机尾流效应研究方面目前国内外对于水平轴风力机尾流效应的研究比较完善，但对于垂直轴风力机尾流的影响研究较少，随着大功率输出垂直轴风力机越来越多出现，对垂直轴风力机尾流效应的研究显得越来越重要。1.5 本文的主要工作与水平轴风力机相比，垂直轴风力机的流场情况更加复杂，三维数值模拟是垂直轴风力机气动性能计算的有效方法。本文在收集总结前人研究成果的基础上，阅读和参考了大量国内外相关技术资料，先对H型垂直轴风力机进行了静态启动性能的研究分析；然后通过瞬态滑移网格技术对H型垂直轴风力机进行了动态工作性能参数影响分析，结合发电机的相关特性分析了两者之间的最佳搭配；最后引入风速梯度概念，结合国外的实际工程对H型垂直轴风力机的尾流效应进行了探讨。本文主要工作与结构安排如下：第1章绪论。介绍本文的研究背景与意义；概述了风力机的两种分类、适用于离网式发电系统的垂直轴风力机、H型垂直轴风力机国内外的研究现状，以及本文的主要研究工作。第2章垂直轴风力机工作原理与CFD方法。介绍翼型的基本知识与H型垂直轴风力机工作原理与工作参数；简述计算流体力学(CFD)的发展历程与CFX软件；说明湍流方程的基本知识与本文所用的SST -湍流模型、移动网格技术。通过对H型垂直轴风力机气动特征、湍流模型与移动网格技术等理论的探讨，为H型垂直轴风力机流场及尾流的数值模拟计算提供理论支撑。第3章垂直轴风力机静态启动性能分析。讨论H型垂直轴风力机静态启动性能研究的必要性，建立H型垂直轴风力机流场的静态模型，从叶片安装半径、弦长、安装角和叶片数四个方面进行静态模拟计算，绘制不同风速下的风力机启动转矩曲线，并对其进行分析，研究这四个参数对于风力机静态启动性能的影响。第4章垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置。建立H型垂直轴风力机流场的瞬态模型，介绍CFX瞬态计算的处理方法，从叶片安装半径、弦长、安装角和叶片数四个方面进行瞬态模拟计算，绘制不同转速下的风力机功率输出与转矩输出曲线，以及不同尖速比下的风能利用率曲线，讨论这四个参数对于风力机输出性能的影响。最后研究并分析各个工作风速下的垂直轴风力机输出特征，将之与发电机的工作特性相比较，讨论风力机与发电机相适配的问题，并研究正常工作状态下的功率调节问题。第5章垂直轴风力机尾流的研究。介绍尾流的形成机理与瑞典法尔肯贝里市的200kW垂直轴风力机风场，建立单机与双机前后排布的模型，引入风速梯度的概念应用于入口处风速，分析上游风力机尾流对于下游风力机的影响。第6章总结与展望。给出论文工作的概括性总结和综合性结论，指出今后工作的发展方向。70第二章 垂直轴风力机工作原理与CFD方法第二章 垂直轴风力机工作原理与CFD方法为研发更加高效能的垂直轴风力发电机，气动性能的设计尤为重要，目前计算流体力学技术已经能够模拟任意时刻、任意点的流动情况。本章主要介绍垂直轴风力机气动工作原理与流体数值研究方法。2.1 垂直轴风力机气动原理2.1.1 翼型的定义与空气动力翼型的定义为与叶片长度方向相垂直的横断面形状。翼型的特征如图2-1所示。图2-1 翼型的几何参数翼型上迎流的一端称为前缘，圆前缘能够减小形状阻力；尖前缘能够减小压缩性所引起的激波阻力或自由表面所引起的兴波阻力。翼型的尖尾称为后缘。翼弦是与前后缘相连的直线，其长度称为弦长，一般用c来表示。翼型厚度是截面上下面间与翼弦相垂直的直线长度，翼型的最大厚度以t来表示，通常以它作为翼型厚度的代表。翼型相对厚度是指最大厚度与翼形弦长之比，即，通常它的取值范围为3%20%(风力机最常用的是10%15%)。翼型的中弧线是与翼弦相垂直的各直线段中点的连线(图2-1中的虚线)。翼型的弯度是中弧线到翼弦的距离，它有一个最大值。图2-2 翼型升阻力与攻角示意图在翼型断面上，攻角为无穷远处来流空气速度矢量与弦线之间的夹角。在翼型剖面的绕流中，翼型表面的速度是不相同的，其中下表面的速度较慢，上表面的速度较快。由伯努力定理可知，下翼面的气压高于上翼面，翼面的上下压力差形成了一个合力，垂直于的分力即是升力，平行于的分力即是阻力，如图2-2所示。此外合力对于前缘点来说有一个转矩M，被称为俯仰力矩。此处引入无量纲的翼型气动特性系数：升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数，分别定义如下： (2-1) (2-2) (2-3)其中，、分别为空气的密度与来流的速度，c为弦长。2.1.2 垂直轴风力机基本工作原理与结构参数图2-3为垂直轴风力机的工作原理，忽略支架和转轴对风力机气动性能的影响，当来流穿过风力机时，来流风速与叶片切向相对风速合成相对风速，叶片会受到与相垂直的升力和与之平行的阻力，升阻力的合力为。图2-3表明对于垂直轴风力机在一个周期内，所有位置上的叶片均可产生驱动风力机转动的正转矩，即为在任何位置上叶片都可做正功。因为风力机的快速旋转，叶片会产生较大的切向相对风速，相对风速即为切向相对风速与无穷远处来流风速合成的。在一个转动周期内，叶片的攻角是不断变化的，此将导致每个叶片所产生的转矩是波动变化的，其输出转矩呈周期性变化35。 图2-3 垂直轴风力机原理图图2-4为垂直轴风力机的结构参数，其中c为弦长，r为安装半径，为安装角度。图2-4 垂直轴风力机结构参数图2.1.3 垂直轴风力机的性能参数(1) 风能的计算气流的动能可表示为： (2-4)式中，为气流的质量，单位： 为气流的速度，单位：设单位时间内流过单位面积的气流的体积为，则有 (2-5)用表示气流密度，该体积的气流质量为： (2-6)则流经气流所具有的动能为： (2-7)上式即为风能的表达式。在国际单位制中，密度的单位是；体积的单位是；速度的单位是；动能的单位是。从式(2-7)可以看出，风能与气流密度和通过面积、以及气流速度的立方成正比。其中密度和风速随地理位置、海拔高度、地形等因素变化而变化。在确定垂直轴风力机的功率后，风力机的扫风面积可由下式进行估算： (2-8)式中：为额定功率，为风能利用率，为传动效率，为额定风速，为垂直轴风力机扫风面积，可由下式表示： (2-9)式中：为垂直轴风力机的安装半径，为垂直轴风力机叶片高度。(2) 叶片尖速比垂直轴风力机的叶片尖速比为风轮旋转的切向速度与风速之比，叶片尖速比可以反映垂直轴风力机的转动快慢。风能利用率与尖速比直接相关，风力机的输出功率也随之变化。选择最优尖速比，风力机的风能利用率可以达到最高。垂直轴风力机的叶片尖速比定义如下所示： (2-10)式中：为转动角速度，； 为风力机安装半径，；为风力机转速，；为来流风速，。 据R.Jtemplin的研究，在实际工程中，尖速比可取如下的近似值： (2-11)式中，为风力机最佳运行尖速比；为风力机的叶片数，取决于风力机的使用：发电用的风力机，需要较高的运行转速，这样能提高发电效率，叶片数取24；提水用的风力机，需要较大的转矩，则需要采用多叶片的风力机，叶片数一般取624；为叶片的弦长。(3) 风能利用系数用风能利用系数表示风力机从自然风能中吸收能量的大小程度，由下式表示： (2-12)式中：为扫风面积；为风机转矩；为空气密度；为角速度；为气流速度；2.2 计算流体力学CFD技术2.2.1 CFD的发展与CFX软件(1) CFD技术的发展计算流体力学技术(Computational Fluid Dynamics，简称为CFD)从上世纪60年代开始发展，具有四十多年的历史。最初被科学家用来研究自然界的基本流动与传热现象，经过20年发展，CFD的应用领域逐渐从最基本的流动和传热现象的科研活动扩展到复杂工程实际问题。然而为了解决工程问题，对CFD使用者具有的流体、传热、算法等知识要求较高，因此CFD技术无法被普通流体工程师所掌握。从上世纪80年代开始，在商业市场的推动下，CFD技术开始商业化，商用CFD软件开始出现。商用CFD软件具有技术成熟、界面友好、简便操作等特点。(2) CFX软件CFX软件是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发的，是一款比较实用的流体力学分析工具。CFX在复杂几何、网格、求解等技术瓶颈都取得了比较大的突破。目前在航空航天、旋转机械、多相反映、混合流、机械制造、生物医学等众多领域，CFX都得到了广泛的应用。在数值求解方面，CFX既采用求解具有守恒性的有限体积法，同时也采用了基于有限元的有限体积法，有限元法能够保证数值的精确性。CFX的湍流模型也处于领先地位，除了Spalart-Allmaras、-等常用的湍流模型外，CFX还率先采用了大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等高级湍流模型。CFX的物理模型非常丰富，除了拥有流体流动、燃烧、辐射、多相流、化学反应、传热等通用物理模型外，CFX还拥有动静干涉、相间传质、沸腾、凝固、气蚀等实用模型，可用于复杂现象的研究。ICEM CFD是CFX的前处理软件，它是世界顶级的CFD/CAE前处理软件，其具有强大的网络划分与编辑功能，能够为Abaqus、Ansys、Autodyn等有限元分析软件提供高效可靠的分析模型。ICEM CFD可以划分以下的网格类型：表面网格、六面体网格、四面体网格、边界层网格(棱柱网格)、四面体与六面体混合网格、自动六面体网格等，还可以对边界层及流动变化较剧烈的区域进行自动网格加密。ANSYS CFX-POST是ANSYS CFX的后处理器，它具有丰富的图形输出、动画输出与数据归纳等功能，特别是极其强大的可视化功能，使得流场等分析结果在电脑屏幕上直接呈现出来。ANSYS CFX-POST的图形与动画输出方式包括：等位面(iso surfaces)、切片(slices)、向量(vector)、表面绘图(surface plot)、流线(streamlines)等36。2.2.2 湍流模型(1) 湍流的基本概念与形成流体微团做不规则随机脉动的流体运动为湍流。湍流的基本性质有如下几点：1.湍流场具有完全不规则瞬息变化的特征；2.湍流场具有某种规律的统计学特征；3.湍流场中任意两个空间点的各物理量依赖于不同的湍流结构和边界条件；4.流体质点的不规则随机运动和分子运动不同。雷诺数定义：，U、L、分别为时均流的特征速度、特征长度和运动粘度。流体在管道、平面或具有一定形状的物体表面流过时，流体中部分或者全部会由层流转变为湍流，此时摩擦系数、阻力系数等都会发生显著变化。转变处的雷诺数即为临界雷诺数，定义如下。 (2-13)式中为转捩处，即层流分离为湍流处。实际工程中所遇到的一切流动，简单的如二维射流、尾流、管流和平板边界层，更加复杂的三维流动，在一切雷诺数上都会不稳定。简单层流运动可以通过解N-S方程求得，较复杂的流动可以用CFD技术数值计算。(2) 湍流模型的分类与选择湍流模型是使时均方程组得以封闭的计算方法。对于大多数工程问题，一般只需要求得湍流对时均流的影响，不需要分辨出湍流脉动的细节。应用最多的湍流模型分类如下。1.简单湍流的直接数值模拟(DNS)直接数值模拟对流动控制方程直接采用数值计算求解，无需对湍流建立模型。因为湍流的无规则性，要想获得所有尺寸的流动信息，对于时间与空间的分辨率要求很高，因此计算量大、很耗时、对计算机内存要求高。目前，直接数值模拟只能适用于计算雷诺数较低的简单湍流，如槽道37或圆管湍流38，这种方法目前还难以预测复杂湍流运动。2.复杂湍流的数值模拟雷诺统计模式(RANS)RANS湍流模型把雷诺时均方程与脉动方程相结合，结合实际工程经验，提出一系列假设，建立了湍流时均封闭方程组。雷诺时均纳维斯托克斯方程为(Reynolds-averaged NavierStokes equations，简称RANS)为流体力学中一种用来描述湍流的时均N-S方程，其理论出发点为将湍流运动看作时间平均与瞬时脉动两种流动的叠加，即任一物理量满足：其中为时均值，为脉动值。时均值定义为： (2-14)若忽略密度脉动的影响，N-S方程中的各物理量按照上述方法取时间平均，可得到可压缩流体雷诺时均方程39：(2-15)若使用张量形式，又可表示为： (2-16)上式中被称作雷诺应力，即： (2-17)在RANS的发展历程中，学者们提出了各种各样的湍流模型。在现阶段叶片光滑表面气流流动特性数值仿真研究中通常应用N-S方程耦合双方程湍流模型对湍流现象进行模拟40。其中，本文使用的SST -湍流模型在继承传统-模型基础上，还考虑了主要湍流流动的剪切应力效应，并且避免计算复杂的非线性衰减函数，更适宜低雷诺数情况下的近壁处理问题，可较为精确的模拟计算物体的边界层流动情况41。在该模型中，定义动态涡粘系数如下： (2-18)湍流动能为： (2-19)特定湍流耗散率为： (2-20) 其中：为涡量，为运动粘度基本-模型1、变形后的-模型2分别乘以函数F1和(1-F1)，推导得SST k-湍流模型3= F11+(1-F1)2，第一组即-模型1中各参数设定1=0.3，k1=0.85，1=0.5，1=0.075，*=0.09；第二组即变形后的-模型2中各参数设定1=0.31，k2=1.0，2=0.856，2=0.828，*=0.09。F1为混合函数，作用是完成模型中近壁面-湍流模型到远壁面的-湍流模型的过渡，y为距壁面的距离，CDk和Pk为选择器，可以防止湍流动能的错误计算。3.复杂湍流的大涡数值模拟(LES)大涡模拟仅有几十年的发展历史，它是区别于DNS与RANS的一个流体力学中重要的数值模拟方法。通过设定一个尺度，求解该尺度以上所有尺度的湍流运动，因此能够克服DNS需要计算全部尺寸湍流的巨大计算量问题，还能够计算出RANS无法求解的许多瞬态过程中出现的大尺度效应和拟序结构。因此被认为是最具有潜力的未来数值模拟发展方向。因为计算量依然很大，目前在工程上无法广泛应用大涡模拟，但是为许多流动机理问题的研究提供了更为可靠的方法，可以为流动控制提供理论基础，并可为工程上广泛应用的雷诺平均(RANS)方法改进提供指导42。2.2.3 移动网格技术对于正常工作状态下旋转的风力机，为了能准确模拟出风力机外流场的瞬态变化特性。在风力机流体数值模拟中，一般将整个流场分为静止区域和旋转区域，旋转区域即为包括风力机在内的中心流场，静止区域即外围流场，之间的交界面用移动网格技术处理。(1) 移动网格技术简介在运用移动网格技术的数值模拟中，通常计算域是由两个或多个独立域构成。每两个相邻的独立域衔接处的界面都为滑移界面，滑移界面连接两个与之相邻的网格区域。在计算时，设定的步数内，两个区域的网格沿着滑移边界相对运动43。网格的滑移边界形状样式很多。在直线运动中，移动网格的滑移边界通常为一个平面。本文中风力机是转动的，所以在模型中移动边界为圆柱形状。(2) 移动网格控制方程移动网格技术的通用控制方程可以写成如下形式： (2-21)式中：为流体密度 为移动网格运动速度 扩散系数 缘项 边界上的控制体积对上式中的时间项采用一阶向后差分方法可写成 (2-22)式中，上标n表示当前时刻，n+1表示下一时刻，n+1时刻的体积可由下式表示： (2-23)式中：为通过控制体的体积流量，根据网格守恒定律，又可表示为如下： (2-24)式中，nf为控制体上第n个面，为第i个面上的面积分量。上式中，可以表示为下式： (2-25)表示在时间内通过面i的流量。由上式可知，计算通过滑移边界的流量为移动网格计算的关键技术所在。2.3 本章小结本章主要介绍了垂直轴风力机气动原理与CFD技术的基本知识，通过对H型垂直轴风力机气动特征、湍流模型与移动网格技术等理论的探讨，为H型垂直轴风力机流场及尾流的数值模拟计算提供了理论支撑。第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析垂直轴风力机分为阻力型和升力型风力机。阻力型风机通常启动转矩较大，但相对于升力型风机其风能利用系数较低，很少被用于发电。作为升力型垂直轴风力机的代表，Darrieus风力机风能利用系数可达0.4以上，在风力发电国家具有一定市场，是水平轴风力机的主要竞争对手44。但Darrieus风力机因静止转矩为零，因此不能自行启动，需要靠外力将风力机提升到一定转速后，或在较高的风速下才能启动45。为改善Darrieus风力机的性能，降低成本，近年来具有直线型叶片的Darrieus风力机，即H型风力机越来越受到国际风能领域的关注，并且欧美、加拿大和日本等国都在积极研究和推广该种风力机46。3.1 静态启动性能仿真计算模型计算模拟的垂直轴风机原型如图3-1所示，该模型为本课题组发明专利47设计。在CFD前处理中忽略风力机中支撑杆的气动阻力作用，考虑叶片尾部和转轴对风力机整体气动性能的影响，简化后模型如图3-2。 图3-1 垂直轴风力机基本结构 图3-2 简化后风力机 风力机叶片采用的叶片翼型为DU91_W_250，叶片详细设计参数如表3-1所示。风力机三维模型由UG NX绘制而成，并导入有限元前处理软件ICEM中进行进一步网格划分。表3-1叶片设计参数(DU91_W_250)弦长c(mm)相对厚度(%)旋转半径 (mm)叶片数N叶片长度 (mm)设定攻角()塔筒半径 (mm)40025150043000575运用ICEM CFD软件对全尺寸叶片和转轴以及整个计算域按结构所在位置“分块”并采用六面体单元进行网格划分(图3-3)。为了体现边界层粘性流动特征，对附面层网格进行了加密处理，选取的第一层网格的厚度大约为0.2mm，叶片截面周边四边形网格如图3-4。整个计算域网格节点数约124万个。 图3-3 计算域网格划分 图3-4叶片周边网格划分3.2 计算方法将垂直轴风力机完整流场网格导入CFD计算软件CFX中。进行边界条件设定如下：(1)入口：圆头边界为入口，在该处设定进口总温、入流方向和湍流强度。(2)出口：计算域右边平面为出口，该处设定为平均静压，相对静压强为0。(3)对称面：计算域上下表面为对称界面，对称面相对于叶片高出1 m。(4)壁面：叶片和主轴表面为壁面，并设定为无滑移壁面，即壁面切向速度与法向速度都为0。这里研究垂直轴风力机启动转矩，叶片被设定为静止状态下入流风速对其转矩的影响。该风力机有四个叶片，计算工况为在一个转动周期内，每个叶片在90圆周角内每隔10的气动转矩计算，计算工况如表3-2所示：表3-2 计算工况工况123456789入流角()010203040506070803.3计算结果及分析监测叶片各工况中转矩变化，直至收敛。图3-5为10入流角下流场风速分布图。其中，1号叶片的静止状态下牵引力最大，为48.30N；3号叶片牵引力最小，为4.24N；2号和4号叶片牵引力分别为7.57、7.56N。迎风叶片背后存在较强的湍流区，处于湍流区的叶片不能发挥最佳气动特性。图3-5 流场风速分布图图3-6(a)为叶片尾流结构分布，由图可见上游迎风叶片叶尖处有漩涡生成并向叶片中部转移。漩涡在中部膨胀，与下游叶片交织在一起。尾流结构改变了下游叶片迎风角和迎风速度等特性。该特性变化可由图3-6(b)叶片周围流线分布看出，图中叶片梢部和主轴的存在都影响气流流线的变化。因此包含全尺寸叶片的三维CFD计算必将成为垂直轴风力机叶片气动设计与校核的有效手段。 (a)正视图 (b)俯视图图3-6 叶片周边流线分布图3-7为风力机在不同入流角下静转矩变化曲线，由图可见，叶片启动转矩随入流角即叶片初始方位角变化而变化，当入流角为30左右时风力机启动转矩最大，为142.98Nm。即每个叶片都不处于上游叶片尾流区内时，风力机可产生最大的启动转矩。同时，在下一节各个参数影响性能分析中，将各个设计方案中各个叶片都设置在类似方位角下进行气动计算，进而进行综合评价。图3-7 叶片启动转矩与入流角关系3.4 叶片启动性能影响参数分析结合CFD计算结果，调整叶片安装半径、弦长、安装角度和叶片数四个垂直轴风力机设计关键参数，研究对风力机启动性能的影响。3.4.1 不同叶片安装半径下的风力机启动性能分析 图3-8 不同安装半径下的启动转矩 图3-8为半径分别选用1.00、1.20、1.35、1.50、1.65、1.80、1.90 m时，静止垂直轴风力机在不同风速下的最大启动转矩值。计算得出，风力机的静态启动转矩随着叶片安装半径的增加而增加，即叶片安装半径越大，自启动性能越好。3.4.2 不同叶片弦长下的风力机启动性能分析图3-9 不同弦长下的启动转矩图3-9为叶片弦长分别选用0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60 m时，静止垂直轴风力机在不同风速下的启动转矩值。计算得出：风力机的静态启动转矩随着叶片弦长的增加而增加，即叶片弦长越长，自启动性能越好。叶片弦长从0.1增加至0.4 m时，启动转矩增加较快，大于0.4m时，转矩随叶片弦长增加而增加的幅度明显减小。3.4.3 不同叶片安装角下的风力机启动性能分析图3-10 不同叶片安装角下的启动转矩图3-10为叶片安装角分别选用19时，静止垂直轴风力机在不同风速下的启动转矩值。计算得出：不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响比较小，安装角从1增加至8时，启动转矩也随之增加，当安装角达到9时，启动转矩减小。3.4.4 不同叶片数下的风力机启动性能分析图3-11 不同叶片数目下的启动转矩图3-11为叶片数分别选用2枚、3枚、4枚、5枚时，静止垂直轴风力机在不同风速下的启动转矩值。计算得出：叶片数越多，风力机的最大启动转矩越大，自启动性能越好。3.5本章小结本章通过三维CFD技术分析了全尺寸垂直轴风力机的半径、叶片弦长、安装角和叶片数四个参数对其自启动性能的影响，得到以下结论：(1) 上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响，表现为，当叶片处于上述尾流区内时，牵引力急剧减小；当气流从两叶片之间穿过时，风力机启动转矩可达到最大值。(2) 风力机的静态启动转矩随叶片安装半径的增加而增加，即叶片安装半径越大，自启动性能越好；叶片弦长从0.1增加至0.4m时，启动转矩增长较快，大于0.4m时，转矩随叶片弦长增加的幅度明显减小；不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响比较小，安装角从1增加至8时，启动转矩也随之增加，安装角达到9时，启动转矩减小；叶片数越多，风力机的最大启动转矩越大，自启动性能越好。(3) 充分考虑各种因素的三维CFD技术可精确的模拟叶片的气动性能，同时考虑叶片在各工况下结构特性变化的耦合性能分析必将成为垂直轴风力机优化设计的有效手段。第四章 垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置第四章 垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置垂直轴风力机动态性能分析包括叶片气动力变化规律研究、风轮设计技术参数影响分析以及功率控制策略研究等。它是研究垂直轴风力机性能、评估整机安全稳定运行和提炼运行控制策略的前提。计算机性能的发展提升了流场湍流模拟的可靠性，因此垂直轴风力机的CFD模拟为动态性能分析提供了有效的技术手段，并逐渐成为风洞实验的替代品。4.1 动态工作性能仿真计算模型图4-1 3.5kW垂直轴风力机为促进城市风能利用，降低非可再生资源的消耗，加拿大地方政府和企业大力推广垂直轴风力机。其中，麦克马斯特大学(McMaster University)研发了3.5kW垂直轴风力机，并进行了风洞实验48，如图4.1所示。该风力