基于cfd的定槳距垂直軸風(fēng)力機變槳距控制研究

基于cfd的定槳距垂直軸風(fēng)力機變槳距控制研究

新能源的開發(fā)和利用受到國內(nèi)外科學(xué)家的高度重視。風(fēng)能作為清潔可再生能源,已成為最具潛力的替代能源之一。隨著研究的深入以及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,垂直軸風(fēng)力機憑借噪音小、安裝維護方便以及翼型制造容易等優(yōu)勢,成為關(guān)注的焦點,并具有了與水平軸風(fēng)力機相媲美的潛力。然而,垂直軸風(fēng)力機啟動性能差甚至無法自啟動,以及風(fēng)能利用率相比水平軸風(fēng)力機較低等問題,極大限制了垂直軸風(fēng)力機的發(fā)展和推廣。研究表明,變槳距技術(shù)是解決垂直軸風(fēng)力機存在問題的有效方法。Pryor發(fā)明了一種應(yīng)用W型機構(gòu)的垂直軸風(fēng)力機變槳距方法,Pawsey設(shè)計了一款基于氣動力與慣性力原理的離心錘式變槳距垂直軸風(fēng)力機。Dress研制了“Cycloturbine”風(fēng)力機,采用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)了變槳距控制,通過理論分析發(fā)現(xiàn)該類風(fēng)力機的最大風(fēng)能利用率可達0.45。張亮等研究了槳距角對水輪機性能的影響。張松等則設(shè)計了一款同步變槳距垂直軸風(fēng)力機,由1臺伺服電機實現(xiàn)多組葉片的變槳距控制,樣機在尖速比0.6附近獲得最大風(fēng)能利用率。Sch?nborn等研究了一種基于正弦規(guī)律的變槳距水輪機,該水輪機在尖速比3附近獲得最大發(fā)電效率,約為38%。Hwang等提出了具有擺線規(guī)律的可獨立變槳距控制的水輪機,變槳距控制下的性能相比定槳距水輪機有70%的提高。雖然變槳距垂直軸風(fēng)力機已經(jīng)得到初步發(fā)展,但變槳距控制規(guī)律卻一直處于實驗室階段。本文作者針對風(fēng)力機變槳距控制規(guī)律展開深入研究,以最大瞬時功率為目標函數(shù)設(shè)計槳距角優(yōu)化程序,并在CFD中對設(shè)計的變槳距規(guī)律進行驗證,分析變槳距控制下風(fēng)力機的氣動性能。1風(fēng)力機性能分析為了獲得變槳距控制規(guī)律,需要以葉片的氣動載荷和風(fēng)力機的氣動性能為基礎(chǔ)建立風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型,分析槳距角與風(fēng)能利用率的關(guān)系。由于流管理論可以有效地預(yù)測風(fēng)力機的整體性能,是一種很好的輔助風(fēng)力機設(shè)計的模型,故采用雙盤面多流管理論研究風(fēng)力機的性能。1.1垂直軸風(fēng)力機個體來流速度模型雙盤面多流管模型由Paraschivoiu提出,其在流管理論的基礎(chǔ)上又將每個流管分割為上、下2個盤面,可以實現(xiàn)上、下2個盤面的不同性能分析,如圖1所示。依據(jù)流管理論,風(fēng)力機局部風(fēng)速為:式中:V∞為無窮遠處來流風(fēng)速;Vu和Vd分別為上、下盤面局部風(fēng)速;κu和κd分別為上、下盤面速度因子。現(xiàn)定義變量κθ為垂直軸風(fēng)力機0°~360°范圍內(nèi)的速度因子,式(1)可以簡化為:其中:當葉片位于上盤面時κθ=κu;當葉片位于下盤面時κθ=κd(2κu-1)。垂直軸風(fēng)力機的相對速度W與局部風(fēng)速Vθ的關(guān)系如圖2所示。式中:U為風(fēng)力機切向速度,且U=ω×R。風(fēng)力機局部尖速比λθ可以表示為:由圖2可知風(fēng)力機的來流角γ為根據(jù)動量理論,單流管內(nèi)的軸向力為其中:ρ為空氣密度;AS為流管面積?；谌~素理論,單流管內(nèi)作用在葉片上的氣動力為則聯(lián)立式(7)和(9),采用數(shù)值解法即可得到風(fēng)力機的速度因子。1.2葉片槳距角度為分析葉片槳距角與風(fēng)能利用率的關(guān)系,建立了葉片的氣彈動力學(xué)模型,如圖3所示。作用在葉片上的氣動載荷簡化為力矢量FA和相對于簡化中心A的力偶MA,點P和點G分別為葉片的轉(zhuǎn)動中心和重心。如圖3所示,升力Fl與阻力Fd的關(guān)系為并定義垂直軸風(fēng)力機的切向力系數(shù)Cτ為式中:Cl為升力系數(shù);Cd為阻力系數(shù)。值得注意的是:簡化中心A隨方位角θ變化而變化,并記作rA。由簡化中心位置變化導(dǎo)致的額外氣動力矩會影響葉片槳距角,進而影響風(fēng)力機的氣動性能,嚴重時會導(dǎo)致葉片顫振。因此,有必要分析作用在葉片轉(zhuǎn)軸處的俯仰力矩,即由式(12)可知:葉片轉(zhuǎn)軸處的俯仰力矩會對葉片槳距角產(chǎn)生影響,這樣就會引入額外的槳距角βex,其中:Kα為葉片轉(zhuǎn)動中心的剛度。則葉片實際的槳距角βa為單葉片產(chǎn)生的瞬時力矩Mθ為單葉片的力矩系數(shù)Cm為:則變槳距垂直軸風(fēng)力機的瞬時功率Pθ為式中:N為葉片數(shù)量;Mθi為第i個葉片產(chǎn)生的瞬時力矩,且i=1,2,…,N。變槳距垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率Cp可以表示為由式(15)和式(17)可知:垂直軸風(fēng)力機的瞬時功率是關(guān)于升力系數(shù),阻力系數(shù)以及局部尖速比λθ的函數(shù),而葉片槳距角直接決定了葉片的氣動性能,故可通過改變槳距角方法以實現(xiàn)最大功率輸出,提高垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率。2垂直軸風(fēng)力機cfd仿真研究為了獲得不同尖速比下的槳距角變化規(guī)律,先對定槳距垂直軸風(fēng)力機進行CFD仿真研究,分析不同槳距角(對于定槳距垂直軸風(fēng)力機即為安裝角)下的氣動性能以及槳距角與風(fēng)能利用率的關(guān)系,進而得到槳距角變化趨勢。2.1平均數(shù)據(jù)處理對于直葉片垂直軸風(fēng)力機,在不考慮葉片端部湍流或者葉片無限長的情況下,翼型周圍的流場很相似,可以將三維流場簡化為二維流場。根據(jù)質(zhì)量守恒,動量守恒以及連續(xù)性理論建立流場模型,采用二維不可壓縮N-S方程作為控制方程,并對流體方程進行了RANS雷諾平均處理,即瞬時速度ui和壓力p分別為各自時均值和脈動值的和。在笛卡兒坐標系下流體方程表示為式中:項為雷諾應(yīng)力,并將速度脈動的二階關(guān)聯(lián)量表示成平均速度梯度與湍流黏性系數(shù)的乘積,即式中:μt和k分別為動態(tài)粘渦系數(shù)和湍流動能。由Howell等的研究發(fā)現(xiàn),重整化群的k-ε模型修正了耗散率方程,保證風(fēng)力機的數(shù)值模擬有較高的精度,故采用k-εRNG模型,即由于k-εRNG模型可使得流體方程封閉,有效解決了高雷諾數(shù)問題,而低雷諾數(shù)問題則采用壁面函數(shù)法處理。同時采用壓力-速度耦合以及標準壁面方程的方法,研究大攻角下流場的分離情況。本文建立了4葉片垂直軸風(fēng)力機的CFD模型,風(fēng)輪半徑為2m,葉片展長為2m,采用NACA0015對稱翼型,弦長為400mm,來流風(fēng)速為10m/s,并采用速度進口、壓力出口和無滑移壁面等邊界條件。2.2有效攻角的影響由式(17)可知:翼型的氣動參數(shù)決定了風(fēng)力機的最大瞬時功率,獲得翼型的氣動參數(shù)很重要。對NACA0015翼型進行CFD仿真研究,獲得了翼型的靜態(tài)升阻力系數(shù),如圖4所示。由圖4可知:隨著弦長的增加,升力系數(shù)Cl增加,阻力系數(shù)Cd下降,翼型的升阻比變大,有助于風(fēng)能利用率的提高;隨著弦長C的增加,阻力系數(shù)曲線右移,表明翼型的靜態(tài)失速角增加,削弱了翼型邊界層的分離;當翼型失速后,壓差阻力相比摩擦阻力起主導(dǎo)作用,阻力系數(shù)急劇上升;對于升力系數(shù),失速前升力系數(shù)隨有效攻角變大而變大,失速后升力系數(shù)快速下降;最大升力系數(shù)隨弦長增大而增大。經(jīng)CFD研究還得到了不同攻角下翼型的壓力分布,如圖5所示。由圖5可知:翼型前緣附近的負壓梯度對升力的形成貢獻很大;在低壓區(qū)形成吸力使翼型繞葉片轉(zhuǎn)軸從高壓區(qū)轉(zhuǎn)向低壓區(qū),即負壓形成了負升力。這表明與負升力對應(yīng)的有效攻角為負值。2.3垂直軸風(fēng)速對風(fēng)力的影響在獲得翼型的氣動性能之后,還需研究葉片槳距角與風(fēng)能利用率的關(guān)系,以便規(guī)劃變槳距控制規(guī)律。由于尖速比決定了風(fēng)力機的運轉(zhuǎn)特性,直接影響風(fēng)能的利用,所以,研究風(fēng)速與尖速比的對應(yīng)關(guān)系也很重要。經(jīng)CFD仿真研究,得到不同風(fēng)速下尖速比與風(fēng)能利用率的關(guān)系,如圖6所示。由圖6可知:隨著風(fēng)速的增大,風(fēng)能利用率的峰也增大,且風(fēng)能利用率峰值所對應(yīng)的尖速比也增加,說明高尖速比下的風(fēng)能利用率較高,且風(fēng)力機尖速比在2.5~3.5范圍內(nèi)具有較高的風(fēng)能利用率。此外,在尖速比小于2的情況下,風(fēng)力機啟動后的風(fēng)能利用率差別不大,垂直軸風(fēng)力機在尖速比λ<2.5的區(qū)間內(nèi)的氣動性能有待改善。固定垂直軸風(fēng)力機葉片槳距角進行CFD仿真,通過改變槳距角得到了槳距角與風(fēng)力機性能的關(guān)系曲線,如圖7所示。由圖7可以看出:槳距角為-4°時的風(fēng)能利用率最高,并且具有較寬的有效工作范圍。經(jīng)分析可知槳距角-4°是定槳距風(fēng)力機性能的轉(zhuǎn)折點,風(fēng)能利用率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢;當槳距角由2°向-4°變化時,風(fēng)能利用率峰值朝低尖速比方向移動,且對應(yīng)的最大風(fēng)能利用率提高。由此可知:外偏置槳距角可以增大風(fēng)能利用率的峰值和有效作用范圍?，F(xiàn)對槳距角進行如下解釋:垂直軸風(fēng)力機的運行軌跡為圓,若翼型前緣位于圓內(nèi)則定義為內(nèi)偏置槳距角,且為正值;若翼型前緣恰在圓上,則槳距角為0°;否則為外偏置槳距角,且為負值。圖8所示為定槳距垂直軸風(fēng)力機在不同槳距角下的力矩系數(shù)。由圖8可知:上盤面相比下盤面的力矩系數(shù)較大。這是因為在上盤面大部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能,下盤面風(fēng)速幾乎是上盤面風(fēng)速的一半,加之風(fēng)能與風(fēng)速的三次方呈正比,所以,下盤面的力矩系數(shù)很小。從圖8還可以看出:當槳距角為正值時,風(fēng)力機在較小的方位角就進入有效力矩作用范圍,也最先退出有效力矩作用區(qū);當槳距角為負值時,相比正值槳距角較晚進入有效力矩作用范圍,且隨著槳距角幅值的增大,相應(yīng)的方位角也增大。由圖8可知:槳距角為-4°時力矩系數(shù)較高且有效力矩作用區(qū)較寬,具有較好的氣動性能;當槳距角為正值時,風(fēng)力機進入有效力矩作用區(qū)時的力矩系數(shù)基本一致;當槳距角為負值時,風(fēng)力機退出有效力矩作用區(qū)時的力矩系數(shù)差別也較小。由此可得出:設(shè)置內(nèi)偏置槳距角或者小幅值的外偏置槳距角,使風(fēng)力機在小方位角進入有效力矩作用區(qū);且設(shè)置外偏置槳距角使風(fēng)力機延緩?fù)顺鲇行Я刈饔脜^(qū),通過該方法可以實現(xiàn)風(fēng)力機氣動性能的提高。3修改槳距離檢測規(guī)律和模擬分析3.1不同尖速比下的槳距角變化規(guī)律圖9所示為確定垂直軸風(fēng)力機槳距角變化規(guī)律的程序框圖。其原理為:根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、流場和運行條件以及氣動參數(shù)求解速度因子;在考慮局部風(fēng)速和局部尖速比的情況下,根據(jù)式(17)建立風(fēng)力機瞬時功率;對初始氣動參數(shù)進行修正,求解瞬時功率最大值及對應(yīng)的槳距角,最終得到風(fēng)力機0°~360°范圍內(nèi)的槳距角控制規(guī)律。應(yīng)用MATLAB軟件編寫優(yōu)化程序,獲得不同尖速比下槳距角變化規(guī)律,如圖10所示。圖10所示為不同尖速比下的槳距角控制規(guī)律。圖10中曲線關(guān)于180°中心對稱,與風(fēng)力機流場特性基本吻合;隨著尖速比的增加,槳距角變化量減小,表明高尖速比下是否采用變槳距控制還需全局衡量。3.2垂直軸風(fēng)力機的變槳距控制由式(11)可知:切向力系數(shù)在一定程度上可以反映風(fēng)力機性能,經(jīng)CFD仿真得到了定槳距和變槳距風(fēng)力機切向力系數(shù),如圖11所示。由圖11可以看出:無論是定槳距還是變槳距風(fēng)力機,都在上盤面取得切向力系數(shù)的峰值,而下盤面的切向力系數(shù)很小。這是因為在上盤面流體不會或很少發(fā)生分離,湍流損失較少,大部分氣動力轉(zhuǎn)化為升力;而下盤面流體速度較低,或因忽略下盤面流線方向變化以及尾渦影響,致使下盤面的切向力系數(shù)較小。此外,與定槳距垂直軸風(fēng)力機相比,在變槳距控制下風(fēng)力機在方位角90°~180°范圍內(nèi)的性能得到了改善,風(fēng)力機切向力有效作用范圍約占風(fēng)力機整周的1/2,而定槳距垂直軸風(fēng)力機卻只占有1/4圓周。結(jié)果表明該主動式變槳距控制規(guī)律顯著提高了垂直軸風(fēng)力機的整體性能。另外,經(jīng)CFD仿真還得了作用在葉片上的俯仰力矩,在變槳距控制下葉片的俯仰力矩與定槳距風(fēng)力機的對比結(jié)果,如圖12所示。由圖12可知:定槳距垂直軸風(fēng)力機上盤面俯仰力矩變化劇烈,而在變槳距控制下作用在葉片上的俯仰力矩變化比較平緩。這是因為變槳距控制提高了葉片的動態(tài)失速角,有效地抑制了動態(tài)失速現(xiàn)象的發(fā)生,而且葉片槳距角的動態(tài)調(diào)節(jié)降低了壓力梯度。在變槳距控制下,作用在葉片上的俯仰力矩大部分是負值,且與葉片運動方向一致,對垂直軸風(fēng)力機的變槳距控制有利,可以降低由伺服電動機在主動變槳距控制下功率消耗;而作用在定槳距垂直軸風(fēng)力機上的俯仰力矩是必須要克服的阻力矩。圖13所示為作用在風(fēng)力機上的合力矩系數(shù)。從圖13可見:與定槳距垂直軸風(fēng)力機相比,變槳距控制下的合力矩系數(shù)較大,并且力矩系數(shù)波動較小,表明變槳距控制可以提供更加穩(wěn)定的功率輸出;葉片在相同方位角下具有一致的運動規(guī)律,且呈周期性變化,說明合力矩系數(shù)只與方位角有關(guān),與具體哪個葉片起作用無關(guān)。圖14所示為變槳距控制下垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率。由圖14可知:隨著尖速比的增大風(fēng)能利用率提高,且在尖速比為2.6附近取得峰值。主動式變槳距控制極大地提高了尖速比λ<2.6區(qū)間下的風(fēng)能利用率。在尖速比λ=2,風(fēng)速為10m/s的情況下,在變槳距規(guī)律控制下垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率達到39.12%,而定槳距風(fēng)力機(β=0°)的風(fēng)能利用率只有19.80%,風(fēng)力機利用率提高近2倍。對于定槳距垂直軸風(fēng)力機,槳距角為-4°時具有較高的風(fēng)能利用率,但也