李柏森
中石化新星河南公司，河南 郑州，450000
摘要：在风力发电行业快速发展的背景下，H型垂直轴风力发电机气动性能成为了研究热点。本文通过计算流体力学中移动网络技术的运用，计算风轮二维和三维流域模型的非定常分离流动数值，并在此基础上分析不同环境对风力发电机启动性能的影响，希望为相关行业提供借鉴。
关键词：H型垂直轴；风力发电机；气动性能
引言：在风力发电领域，大型水平轴风力发电机依然占据主要位置，但随着科学技术的不断发展，垂直轴风力发电机大有取代水平轴风力发电机之势，究其原因，主要是这种发电机的结构较为简单、维护和启动风速要求低。目前，研究此类发电机气动性能的方法被分为三种，其中数值计算法的应用最为普遍。
一、数值计算模型
（一）研究对象
本文以某电厂应用的H型垂直轴风力发电机为研究对象，该装置的风轮直径为，叶片高度为，叶片弦长为，叶片翼形为，其中，弦长处是叶片连接点的所在位置。出于简化模型，控制计算成本和提高计算效率的考虑，在计算和模拟发电机气动性能时，需要去除支撑件、转动轴和连接法兰等部件，究其原因，主要是这些部件对风力发电机启动转矩的获取影响微乎其微[1]。
（二）建立计算区域的模型
首先以H型垂直风力发电机为基础建立数值计算模型，其中，风力机叶片流动主要为外流，在模拟风轮机气动性能的过程中，静止区域主要被用于外部流场模拟，使静止状态得到保持。为充分发展风轮产生的尾迹，需要在风轮上下风向倍和倍风轮直径处，分别设置入口和出口边界。旋转区域模拟风轮所在区域，由1个圆形区域组成，该区域内部包含个叶片。叶片对于风力发电机而言至关重要，属于发电机获取风能的重要部件，因此，需要通过网络加密的方式生成叶片处的计算网络，为风力发电机气动性能的准确计算，创造有利的条件。
（三）划分网格
使用CFD前处理工具划分计算网格，为使数值计算准确性得到保证，通过壁面函数法的使用，对高雷诺数湍模型和叶片表面近壁区域进行处理，取值为，其中，叶尖的速度比为，同时将平板湍流边界层理论作为依据，对叶片表面第一层网络高度进行计算，公式如下所述：
.png)
在上述公式中，流体密度由表示；特征尺寸由表示；动力黏度由表示；来流相对叶片的相对速度由表示；雷诺数由表示；壁面摩擦系数由表示；避免切应力由表示；来流速度由表示；摩擦速度由表示；叶片表面第一层网格高度由表示。在计算相对速度W时，需要利用下述公式：
；
.png)
在这个公式中，风轮方位角由表示；叶尖速比由表示，在速度保持不变时，的值越大，则表明风轮转速越快。假设当前风速为每秒，可得出为，利用该值可计算出近壁面第一层网格高度为。从叶片表面至叶子片区域与旋转区域交接面之间的节点，其增长率为，在此基础上，完成二维叶片子区域网格的划分，并且各网格在大小上相同。出于节省计算资源的考虑，可以使静止区域远场处的节点间距适当增加。在经过可行性分析后，最终确定计算区域网格总数为，其中转动区域的占比为。
二、求解设置
（一）计算数值的方法
在计算垂直轴风力机流场时，借助了软件，通过湍流模型的使用，利用算法耦合速度和压力，其目的在于使收敛速度增加，同时使用二阶迎风格式，对动量方程、湍动能和湍流离散率进行处理，从而使计算精度得到保证。在计算过程中，将风轮旋转作为计算频率，在这种条件下，风轮旋转一圈的时间步为个，每个时间步内的迭代次数为次，在相邻旋转周期旋转系数偏差不超过时，代表计算已经收敛[2]。
（二）设置边界条件
本次研究将速度进口作为进口，与进口之间的状态为边界垂直。其中，压力出口为出口，计算出示的压强为,简言之，就是标准大气。没有滑移现象的固壁面边界条件，是风力发电机的叶片表面，该叶片表面与叶片子区域保持相同的运动状态。
三、计算结果研究
（一）二维计算域流场研究
假设风力发电机的入口风速为每秒，而风轮的转速为每分钟转。本次研究对象为风轮最上方的叶片，其初始角度为，在受到上个周期尾流的影响后，叶片的来流速度减小，因此，叶片上下表面速度分布不存在显著的差异，气动力不大。叶片方位角度变化处在的范围内时，叶片攻角会持续增加，此时，叶片上下表面速度分布存在显著的差异，压力分布也同样如此，气动力也因此而加大。叶片方位角度变化处在的范围内时，叶片攻角的变化会出现波动，具体变化规律为先大后小，在变大时，会引起叶片失速现象，此时，气动力会不断下降。叶片方位角度变化处在的范围内时，上游叶片尾流区域是叶片的所处区域，叶轮在范围内产生的漩涡，会不断向下发展，在这个过程中，通过下游叶片的气流和受到影响，下游叶片的功率捕获也会被限制。方位角变化处在的范围内时，叶片会朝着尾流区发展，此时，攻角负向和气动力都会加大。方位角变化处在范围内时，攻角变化趋势为先大后小，此时叶片完全处在尾流区，会受到尾流的影响。在攻角增加阶段，叶片会受到失速现象的影响，气动力的减小速度较快。在攻角减小阶段，气动力的减小速度会放缓。
（二）三维计算域流场研究
假设风力发电机的入口风速为每秒，而风轮的转速为每分钟转。在计算过程中所使用的计算方法与上文相同，同时利用三个平面剖切计算域，这里所说的三个平面是指，在计算后即可得到截面处的速度场分布结果。与二维流场流动相比，三维垂直轴风力机绕流流场的复杂程度更高，所表现出的特性以非定常性为主。叶片速度分布较为对称，但在气流互相干扰的作用下，各叶片在不同水平面上的速度存在显著的差异，压力分布也同样如此，叶片上下表面沿叶展方向的压力呈现出相同的变化趋势。站在整体角度而言，上游叶片存在明显的失速现象，并且其尾流还会对下游叶片流动造成不利影响，下游叶片风能捕获效果也会因此而下降，因此，整个风轮在各旋转周期对风能的利用效果并不好，最高系数仅为。
（三）风沙环境下的流场
假设风沙来流质量流量为每秒，颗粒物的平均直径为，来流速度为每秒，在仿真计算时对模型进行使用，同时利用三个平面剖切三维计算域，这里所说的三个平面是指，最终获得风沙环境下截面处的涡量分布情况，如下所述：与洁净空气相比，在风沙环境下，叶尖处的涡量的较高，并在上翼面后半段产生了涡量最大值，其原因为边界层被分离后，固体颗粒会以翼面为媒介而倒流，并在翼面后半段相汇，大量的颗粒物也会在这个部位集中，从而使翼形几何形状发生改变，最终形成锋面，此处的湍流强度和涡量也会因此而加大。基于此，如果风力发电机需要在风沙环境下运行，在设计叶片气动外形时，需要确保翼形的对称性，并尽量将其厚度减少，通过这种设计方式，使边界层厚度增加趋势减少，最终实现控制边界层分离速度的目的。
结论：综上所述，本文利用计算流体学中的滑移网络技术，对H型垂直轴风力发电机的气动性能进行分析，得到了如下结论：第一，H型垂直轴风力发电机的攻角变化范围较大，流动复杂程度高；第二，在清洁空气环境下，叶尖位置是风力机叶片涡量最大的区域，其中，上游叶片存在明显的失速现象，故风轮对风能的利用率较低。
参考文献：
[1]单乐,贺龙,马中武,等.H型垂直轴风力发电机气动性能分析[J].甘肃科学学报,2020,32(03):107-112.
[2]甘洋.H型垂直轴风力发电机气动性能优化研究[D].重庆大学,2017.