垂直螺旋风力叶片周围的三维流动特征分析.pdfVIP

第32卷 第 l2期 太 阳 能 学 报 Vo1．32，No．12 2011年 12月 ACTA ENERGIAE SOLARISSINICA Dec．，2011 文章编号：02544)096【2011)12—1777-08 垂直螺旋风力叶片周 围的三维流动特征分析 康 灿 ，张 峰 ，杨敏官 ，茅雪峻2 (1．江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013；2 常州市东君光能科技发展有限公司，常州 213164) 摘 要：提出一种新型的垂直轴螺旋风力叶片，分析叶片附近的流动特征与叶轮力矩特性之间的关联。采用计算 流体动力学(CFD)方法 ，运用Spalart—Allmaras湍流模型，对两叶片叶轮内外的三维湍流流动进行数值计算。分析 设计风速下的叶轮力矩系数；在来流速度为4m／s的低风速条件下 ，对最大力矩系数工况和最小力矩系数工况下的 流动参数分布和空间流动结构进行对比研究。研究结果表明：该叶轮的力矩特性较好；叶片两侧的压差和大尺度 低压区的位置是影响该叶轮运行特性的两个重要因素；叶片附近的流动具有明显的三维空间结构。 关键词：垂直螺旋叶片；隔板；端盖；数值计算 ；流场；力矩性能 中图分类号：TK83 文献标识码 ：A 片截面为错开放置的两个半圆，在其旋转过程中，与 O 引 言 来流的相对角度发生周期性变化，叶轮 内外流动特 自1924年阻力型Savonius风力机问世以来，对 征较复杂。借助激光片光源和粒子图像速度场仪 其进行的后续研究就从未间断，近些年随着实验手 (PIV)可在传统 Savonius叶轮周围捕捉到复杂的流 段、计算方法的快速发展，对传统 Savonius风力机叶 动结构 J。在对 Savonius叶轮实施的风洞实验中 轮结构及相关流动机理的研究也跨上一个新台阶。 发现，随着叶轮的旋转，测得的瞬时力矩和功率输出 从结构来看，叶片间的相对位置、叶轮的高径比等参 也随之发生变化 。 数对叶轮性能的影响较大，这些参数的制定 目前仍 从 目前一般的风洞实验能力和相似换算的角度 依靠经验方法和实验数据积累_】j。从运行的角度出 出发，对垂直轴风力叶轮开展风洞实验所涉及的气 发，为了消除潜在负力矩对起动性能 的影响，文 流速度大小、气流压缩性、模型制造工艺、辅助实验 献 [2]考虑了两级叶轮结构，两个上下布置的叶轮 仪器、误差分析等均需系统考虑，且对于瞬态参数测 间相对扭转角设为90。。文献 [3～5]从减轻单个叶 量和变风速实验，实验周期较长，实验成本较高。 片的阻力出发，在 Savonius叶轮前面设置导流装置 基于传统的Savonius叶轮，本文提出一种新的 或挡风板，均取得一定效果。从流动的角度看，这些 垂直轴螺旋风力叶片外形，运用计算流体动力学方 辅助装置的设置在不同程度上改善了叶轮周围的流 法对两叶片叶轮进行性能预测及周围流动分析。对 动状况，增加了进入叶轮的流体对叶片所做的有效 比分析该叶轮与传统 Savonius叶轮的静态力矩特 功。Savonius叶轮的回转面积较小，但若将 Savonius 性；在来流为4m／s的低风速条件下分析该叶轮的流 叶轮和 Darrieus叶轮相组合，既能得到较大的迎风 动参数分布及对应的力矩特性，对最大和最小力矩 面积，又能改善起动性能 J。但该种组合结构中，两 系数工况下叶轮周围的压力分布、流动图谱及空间 叶轮诱发的流动之间的干涉对叶轮运行稳定性的影 流动结构进行分析，以期深入描述该叶轮内外的流 响较大 。 动特性与叶轮运行性能之间的联系。 无论是叶轮的风能捕集能力，还是叶轮运行的 1 叶轮特征 安