不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性_郑智睿.pdf

流 体 机 械2023 年 2 月98 第 51 卷第 2 期 收稿日期：2021-08-25 修稿日期：2022-10-13基金项目：山东省重点研发计划项目（2019GSF109084）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.014不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性郑智睿1，王妮妮2，赵 斌3，王友昊1，何锁盈1，高 明1（1.山东大学 能源与动力工程学院 高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室，济南 250061；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；3.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114）摘 要：为研究垂直轴风力机错列排布时下游风力机横向偏移距离对尾流特性的影响，获得优化的排布方式，以某 H 型垂直轴风力机为研究对象，建立了三维计算模型进行仿真模拟。基于单风力机模拟结果，研究了错列排布中不同偏移距离对风力机功率系数及尾流特性的影响。结果表明：当尖速比由 0.5 增加至 1.5 的过程中，风力机尾流逐渐接近于钝体尾流，下游速度恢复距离减小；风力机阵列中，错列布置可有效缓解上游风力机尾流对下游风力机的不利影响；随着横向距离的增大，下游风力机整体尾流速度分布逐渐与上游风力机的下游气流速度分布相一致，当横向间距为 1 倍，2 倍风轮直径时，下游风力机功率系数相比单列排布提升了 16.5%，37.3%。关键词：垂直轴风力机；错列布置；尾流特性；功率系数；数值模拟中图分类号：TH43 文献标志码：A Wake characteristics for the VAWT in different staggered arrangementsZHENGZhirui1，WANGNini2，ZHAOBin3，WANGYouhao1，HESuoying1，GAOMing1（1.ShandongEngineeringLaboratoryforHigh-efficiencyEnergyConservationandEnergyStorageTechnology&Equipment，SchoolofEnergyandPowerEngineering，ShandongUniversity，Jinan 250061，China；2.ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCo.，Ltd.，Jinan 250013，China；3.SchoolofEnergyandPowerEngineering，ChangshaUniversityof Science&Technology，Changsha 410114，China）Abstract：Inordertostudytheinfluenceofthetransversedistanceofdownstreamwindturbineonthewakecharacteristicswhenverticalaxiswindturbinesarearrangedinstaggeredarrangements，andobtaintheoptimalarrangement，thispaperreferredtoaH-typeverticalaxiswindturbineandestablishedathree-dimensionalcalculationmodel.Basedonthesimulationresultsofsinglewindturbine，theeffectsofdifferenttransversedistancesinstaggeredarrangementsonthepowercoefficientandwakecharacteristicsofwindturbinesarestudied.Theresultsshowedthatthewindturbinewakegraduallyapproachestothebluffbodywake，andthedownstreamvelocityrecoverydistancedecreaseswiththeincreaseoftipspeedratiofrom0.5to1.5.Inthewindturbinearray，staggeredarrangementscaneffectivelyrelievetheadverseimpactoftheupstreamwindturbinewakeonthedownstreamwindturbine.Withtheincreaseofthetransversedistance，thedownstreamwindturbinewakedistributionisgraduallyconsistentwiththedownstreamvelocityoftheupstreamwindturbine.Whenthetransversespacingis1and2timesofthewindturbinediameter，thepowercoefficientofthedownstreamwindturbineenhancesby16.5%and37.3%comparedwiththesinglerowarrangement.Key words：verticalaxiswindturbine；staggeredarrangement；wakecharacteristics；powercoefficient；numericalsimulation0 引言风能作为可持续发展的新能源具有极高的研究价值，受到广泛关注1-2。垂直轴风力机因结构简单，尾流速度恢复较快，无需偏航对风装置等优点更适合群组化发展3，相比水平轴风力机组成的风电场，垂直轴风力机风电场具有更高的功率密度4-5，广泛应用于城市和部分郊区进行分99布式发电，发展前景广阔6-7。垂直轴风力机在运行过程中，其功率不仅会随来流风速，尖速比改变，风力机的排布方式也会对发电量产生影响8。前人主要关注提升单风力机性能9-11，对于风力机阵列的研究较少且多以二维模拟为主，排布方式较为单一。BIANCHINI等12，SOULTANZADEH等13对三叶片垂直轴风力机进行了二维模拟，通过对比试验结果，验证了二维模型可用于模拟风力机尾流场。张周周等14通过数值模拟的方法对单列放置的两个垂直轴风力机压力场和涡量场进行研究，发现随着风力机之间距离的增大，下游风力机所受的不利影响减小。ZANFORLIN 等15将两个反向旋转的风力机进行并列放置，利用绕流效应提升了风力机发电量，戴自强等16对两并列排布的风力机流场进行研究，发现当两风力机旋转方向相反时具有更高的风能利用系数，相比单风力机独立运行时提升了 11.53%。SAHEBZADEH 等17 采用二维仿真研究了风力机安装位置对整体输出功率的影响，发现当风力机相对距离处于 5 倍风轮直径内时阵列的输出功率达到最佳。罗帅等18对多风力机阵列进行了二维模拟，得到了阵列中单风机的功率系数和整体尾流场分布，由于二维模拟忽略了叶尖涡等三维效应，结果不够精确。苏万清19，LAM 等20通过三维数值模拟研究了垂直轴风力机下游气流速度，湍动能和涡量随流向距离的变化规律，发现三维模拟的结果更接近于试验值。蔡新等21研究发现，串列布置的垂直轴风力机在下游 5 倍直径处仍会受到影响，提出风力机阵列可以采用错列排布，但并未进行深入研究。综上所述，关于研究风力机阵列布置的三维模拟文献较少，有待进一步研究。本文基于FLUENT 软件，对 H 型垂直轴风力机进行三维模拟，在单风力机模拟计算基础上，研究了双风力机不同错列排布下的输出功率和尾流场分布特性，可为以垂直轴风力机为主的分布式发电提供指导。1 垂直轴风力机理论计算模型及验证1.1 数值计算模型本文所选用的 H 型垂直轴风力机采用三叶片 NACA0018 标准航空翼型，风力机的基本参数见表 122。表 1 风力机模型参数Tab.1 GeometricalparametersoftheVAWT参数数值叶片弦长/m0.2风轮直径 D/m0.8叶片高度/m0.8叶片数3安装角/（）0实度0.75运行尖速比0.51.5额定风速/（m s-1）8额定功率/W33.12注：叶片翼型为 NACA0018。垂直轴风力机几何模型如图 1 所示，叶片气动中心位于弦长中部，由于风力机旋转轴和支撑杆对模拟结果的影响较小23-27，为了方便计算，研究中进行了简化，仅保留叶片模型。图 1 H 型垂直轴风力机Fig.1 H-typeverticalaxiswindturbine计算区域划分为旋转域和静止域，为避免阻塞效应，旋转域直径为 2 倍的风轮直径（风轮直径用 D 表示）。流场采用滑移网格进行计算，旋转域采用四面体单元进行非结构网格划分，静止域采用六面体结构化网格。为保证计算精度，对叶片壁面附近网格进行加密，根据式（1）确定壁面第一层网格高度 y。yU=y ulRe+（1）式中，y为壁面距离的无量纲数，定义为 1；u 为来流相对速度；l 为特征长度；U为叶片壁面速度；Re为雷诺数，计算第一层网格高度约为 0.0248mm。1.2 边界条件及模型验证计算域边界条件设置如图 2 所示。假设来流为均匀不可压缩流体，计算域左侧定义为速度入郑智睿，等：不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性100FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023口，右侧定义为压力出口，其它界面定义为对称边界，叶片表面设置为无滑移壁面，风力机旋转方向为逆时针，旋转域和静止域之间通过 interface 面进行数据交换。（a）俯视图（b）左视图图 2 边界条件设置示意Fig.2 Schematicdiagramofboundaryconditionsetting本文使用 FLUENT 软件进行模拟计算，流场采用 Simple 算法耦合压力速度迭代求解，计算过程采用 SSTk-两方程湍流模型，当变量残差收敛至 10-4时，认为迭代过程收敛。风力机网格独立性验证见表 2，综合考虑计算精度与所耗时间，选用网格数 4167530 的网格进行后续研究。为验证模型的准确性，定义来流速度为 8m/s，计算风力机不同尖速比对应的功率系数并与文献22试验结果相比较，如图 3 所示。设置风轮每旋转 2为一个时间步长，每一步长包含 30 次迭代计算，风力机旋转 5 周后运行趋于稳定，取第 6圈的平均功率系数作为最终模拟结果。图 3 风力机功率系数模拟值与文献 22 中的试验测试值比较Fig.3 Comparisonbetweensimulatedvalueswindturbinepowercoefficientandexperimentaldatainreference 22表 2 网格独立性验证Tab.2 Gridindependenceverification网格数功率系数增长率（%）32897260.15941675300.1675.0353305460.1691.20由图 3 可得，风力机功率系数随尖速比增加先增大后减少，变化规律与试验值基本相符，在尖速比为 1.3 时达到最佳尖速比，功率系数峰值为0.195。由于建模中忽略了旋转轴和支撑杆对风轮的影响作用，计算结果比试验值偏大28。整体模拟结果偏差都在合理范围之内，满足计算要求，可用于后续研究。2 单风力机尾流场分布风力机在不同尖速比下尾流速度分布如图 4所示。由于风轮对来流风中动能的提取，风力机下游形成了一条低速区域，随着尖速比增加，横穿风轮的气流逐渐减少，低速区域面积逐渐扩大，尾流速度不断降低。由于湍流的横向运输，速度最低的区域并非出现在旋转中心区域，而是向风力机迎风侧偏移，当尖速比逐渐增加，这种偏移现象逐渐减弱。（a）=0.6（b）=1.0（c）=1.5图 4 不同尖速比单风力机尾流速度分布云图Fig.4 Wakevelocitydistributionofsingletu