基于FLUENT的垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪流暢模擬

1、基于FLUENT的垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪流暢模擬【摘 要】通過運(yùn)用CFD數(shù)值分析軟件FLUENT，對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉輪的流場進(jìn)展數(shù)值模擬。采用了RNGk-湍流模型與滑動網(wǎng)格技術(shù)相結(jié)合的方法模擬了風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)流場的變化規(guī)律，提醒出了風(fēng)力機(jī)內(nèi)部及尾流在不同來流風(fēng)速下的的流動變化規(guī)律，可以為工程分析提供參考?！娟P(guān)鍵詞】垂直軸風(fēng)機(jī)；風(fēng)輪；數(shù)值模擬上世紀(jì)50年代初，研究流體運(yùn)動規(guī)律的方法主要有理論分析方法和實(shí)驗(yàn)研究的方法，理論分析方法是利用簡單流動模型假設(shè)計(jì)算出某些問題的解析解。實(shí)驗(yàn)研究方法消耗宏大，而理論分析方法對于復(fù)雜的非線性流動問題目前還無法計(jì)算。20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算流體力學(xué)Computat

2、ional Fluid Dynamics，簡稱CFD的飛速開展為實(shí)驗(yàn)研究和理論分析都起到了促進(jìn)作用，同時(shí)為簡化流場的計(jì)算模型提供了更多的根據(jù)，讓更多的分析方法得到開展和完善。1.數(shù)值模型2.模型的創(chuàng)立在進(jìn)展CFD計(jì)算前需要對直葉片垂直軸風(fēng)機(jī)簡化，由于風(fēng)輪中連桿、轉(zhuǎn)軸等構(gòu)件對風(fēng)輪周圍的流暢影響不大，在CFD建模過程中可以簡化掉，在GAMBIT軟件中簡化后的二維風(fēng)輪模型如圖1所示。如圖2所示，風(fēng)輪外流場計(jì)算區(qū)域分布在10D10DD為風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的直徑的范圍內(nèi)，計(jì)算區(qū)域分為轉(zhuǎn)動區(qū)域和靜止區(qū)域，圖中葉片所在的圓環(huán)區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，圓環(huán)內(nèi)部圓周區(qū)域和外部矩形區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域。劃分網(wǎng)格時(shí)，采用滑動網(wǎng)格模型，可以真

3、實(shí)的模擬轉(zhuǎn)子周期性變化的非定常流動，旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的網(wǎng)格之間沿界面作相對運(yùn)動，而且網(wǎng)格界面上的節(jié)點(diǎn)無需對齊3，因此可以對轉(zhuǎn)動區(qū)域和靜止區(qū)域分別劃分網(wǎng)格。靜止區(qū)域的幾何構(gòu)造簡單，可分塊劃分構(gòu)造化網(wǎng)格。旋轉(zhuǎn)區(qū)域的幾何構(gòu)造稍復(fù)雜，需要對葉片周圍網(wǎng)格進(jìn)展加密處理，如圖3所示，然后劃分非構(gòu)造網(wǎng)格。整個(gè)流場網(wǎng)格劃分如圖4所示。3.邊界條件的設(shè)置邊界條件的設(shè)置是FLUENT分析問題中非常關(guān)鍵的一部分，往往關(guān)系到模擬的成敗。先在GAMBIT中設(shè)置邊界條件的類型，設(shè)置如下：然后在進(jìn)入FLUENT后對邊界條件進(jìn)展賦值，對于速度入口，將速度大小設(shè)置為9m/s，方向與入口邊界垂直；圓環(huán)轉(zhuǎn)動區(qū)域的轉(zhuǎn)動速度設(shè)置為35

4、rad/s，轉(zhuǎn)動類型為“Moving mesh；葉片的壁面條件設(shè)置為轉(zhuǎn)動的，并且轉(zhuǎn)動速度與周圍流體區(qū)域的轉(zhuǎn)動速度一樣。然后將兩組邊界類型為“interface的交界面耦合在一起。4.計(jì)算結(jié)果分析以參數(shù)R=0.9m，N=5，C=0.14m，H=1.4m葉輪為例，進(jìn)展計(jì)算。4.1整個(gè)流場分析從圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，葉片周圍的流場速度遠(yuǎn)高于流場其他位置的速度，最大流速為41.6m/s，每個(gè)葉片周圍形成了小尺度漩渦；葉輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸對整個(gè)流場有著一定的影響，特別是在旋轉(zhuǎn)軸的尾部區(qū)域速度明顯降低；流場速度從靠近葉輪前開始逐漸減小，經(jīng)過葉輪后繼續(xù)減小，并且在葉輪流場的尾部區(qū)域形成了大尺度漩渦，隨著尾流逐漸遠(yuǎn)

5、離葉輪，尾流速度逐漸增大并接近來流風(fēng)速。4.2不同位置角的流場分布從圖中可以看到葉輪周圍的流場呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的非定常性，葉輪順風(fēng)側(cè)=90270的流場速度要高于逆風(fēng)側(cè)=-9090，在不同的位置角上每個(gè)葉片的尾部區(qū)域顯示出不同的漩渦，而且葉片前緣處的流速要大于后緣處的流速；在位置角為 和 處的流場分布根本一樣，當(dāng)葉輪從0轉(zhuǎn)到360的過程中，整個(gè)葉輪的尾部的低速區(qū)域范圍越來越大。4.3不同來流風(fēng)速下的流場分布在額定轉(zhuǎn)速為334rpm的工況下，分別給定來流風(fēng)速為8m/s，10m/s，進(jìn)展計(jì)算后得到不同風(fēng)速下葉輪的空氣動力性能，不同來流風(fēng)速下流場的速度等值線分布圖如下。比照不同來流風(fēng)速條件下的流場速度等值線圖，可以看到隨著風(fēng)速的增大，葉輪周圍的流場速度也隨之增大，整個(gè)流場的尾流擴(kuò)散區(qū)域逐漸增大，且尾流擴(kuò)散區(qū)域的中心的最小速度也隨之增大。5.結(jié)論通過分析得到如下結(jié)論：風(fēng)輪周圍的流場呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的非定常性，在一個(gè)周期內(nèi)不同位置角的流場特性不同；單個(gè)葉片在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)動過程中，翼型周圍的流場呈現(xiàn)周期性變化；不同風(fēng)速條件下的流場特性也不一樣。 科【參考文獻(xiàn)】2嚴(yán)強(qiáng)，蔣超奇.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開展趨勢和應(yīng)用J.上海電力，20072：166-167.3Vogel J.Wind： a hard-blowing historyJ.