Savonius风力机叶片气动性能模拟与分析.docx

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1、Savon i us风力机叶片气动性能模拟与分析中国矿业大学（北京）曲宝麟，桂小红（中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院 北京100083）中国建材科技2021年2月桂小红副教授摘要:针对Savonius阻力型风力发电机扰流流动特点,建立了二维不可压缩湍流模型，并对基于流体连续性方程和N-S方程 及k-湍流模型的二维流场进行数值模拟计算。用ICEM构建了风力机叶片二维模型，并完成了网格的划分，在FLUENT中模 拟了流场内叶片截面的受力情况和速度分布情况，得到了 Savonius风机的气动性能。英文摘要： According to the turbulent flow character

2、istics of Savonius resistance wind turbine, a two-dimensional incompressible turbulence model is csiablished, and the two-dimensional flow field based on fluid continuity equation, N-S equation and k-e turbulence model is numerically two-dimensional model of wind turbine blade was built by ICEM. and

3、 the grid was divided. The force and velocity distribution of blade section in the flow field were simulated in FLUENT, and the aerodynamic pcrrrnance of Savonius tan was obtained.关键词:风力发电机;风洞;叶片；速度场；压力场：气动特性1引言随着科学技术以及现代经济的快速发展，人类逐渐意识到生存需要消耗大量的能源作为支撑。然而 过度消耗能源必然会导致环境的污染，特别是消耗矿石能源，这些污染又限制了人类社会的发展。在

4、社会发展的同时，一方面出现了越来越多的污染问题，另一方面人们也开始关注如何才能使生态环境持 续发展并且寻找新的可再生能源。由于风力资源拥有十分丰富的储量、能够再生、不会产生污染、成本 较低且十分容易转化等特点，近年来受到了广泛的重视，技术也日益成熟，世界上多个国家都将风能的 开发利用作为新能源战略中最为重要的组成部分之一。图2叶片二维模型与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有传动简单，气动噪音小，受风性能好且无需迎风系统等优 点。由于垂直轴风力机的流场更加复杂，研究垂直轴风力机气动性能应重点研究垂直轴风力机二维非定 常流场。目前研究风力机二维非定常流场的常用方法有解析法，风洞试验和数值模拟。本文

5、使用商用计 算流体动力学（CFD）软件FLUENT对Savonius风力机（如图I）周围的空气流场进行数值模拟，运用CFD 的数值模拟方法，通过可视化技术可将风轮周围的速度场、压力场直观显示，准确分析Savonius风力机 的空气动力特性，从而为Savonius风力机的设计、改良提供一定的理论依据。图1 Savonius风力机的外形国家级大学生创新创业训练计划支持项目（编号：）作者简介：曲宝麟（1999-）、男、湖北，安全工程，2017级，主要从事矿井通风方向研究2计算模型的参数和建模过程叶片的输出功率为80 W,额定风速为10m/s,额定转速为356 rad/min0叶片直径为250 mm,

6、叶片 厚度为10 mm,转轴直径为60 mm的Savonius风力机二维模型。来流速度为10m/s。模型如图2所示。现对半圆形叶片进行处理，首先在FLUENT的前处理软件ICEM中对叶片进行二维建模，其次对叶片 进行网格划分，并进行边界的定义。依据叶片本身的大小，在叶片的表面生成一个风洞，风洞的形状为 长方形。叶片中心与来流入口距离为1000 mm,与来流出口的距离为4000 mm,之所以做出这样的简化是因 为风洞对叶片的主要影响是限制了绕叶片气体的流动，而这主要是直接包围叶片的工作段的作用。将工 作段直接从叶片处延伸到远处，这对叶片周围的流动的影响极小，并具有更好的计算效率。为了降低出 口处

7、规定的近似压力边界对叶片的影响，出口需要取在远离叶片的下游。首先确定叶片和风洞各点的位置，将点连接成线，在风洞表面生成面，将风洞与叶片之间的面减 去，拓扑检查几何形状是否丢失，在风洞表面生成一个Block,再对Block进行切分，切分出叶片的形状 并删除相应的Block,对风洞、叶片边界与Block进行点和线的关联，在对风洞上的各条边设置好节点分 布之后，便可以对风洞进行网格划分，划分时选择结构网格单元，节点分布设置中选择节点间距，并且 可以根据计算机的计算速度选择节点间距的大小，默认选项为1。将叶片附近的网格节点设置的更加紧 凑，网格划分得更为密集，对网格进行检查调整，优化网格的质量，使之满

8、足计算要求，整个风洞网格 划分的结果如图3所示，叶片周围的网格划分如图4所示。划分网格后定义边条件，将风力机的叶片和 转轴定义为wall,风洞表面定义为FLUID。最后保存为mesh文件备用。图3划分好的网格图4叶片周围的网格3流动控制方程空气流动遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。该数值模拟对象为低速流动下叶片周 围的非定常流场，在马赫数低时，空气设为不可压缩常温流体，不需能量方程的求解。风力机叶片转动属低速流动问题，假定风机叶片周围气体不可压缩，同时不考虑热传递的影响。数 值计算的基本方程为二维非定常不可压缩的N-S方程：湍流模型采用低雷诺数双方程湍流模型:dtdt4P。)+2)

9、=且金dt dxi dxj dxj)其中,K为湍动能浮为湍流耗散量。4数值模拟计算将msh文件导入FLUENT中，选择二维单精度求解器。检查和光顺网格，使用网格交换命令，将有重 叠或不规则排列的网格进行交换，定义湍流模型为具有非平衡壁面函数的标准双方程模型。叶片模型在来流作用下，沿逆时针方向旋转，因此在对叶片进行设置时将它们选定为旋转壁面形式 为moving wall,运动方式为rotational,相对于x=0, y=0的原点位置以37 rad/s的角速度进行旋转,将求 解方式设置为二阶迎风格式，计算采用基于有限体积法的simple系列算法。将残差收敛级数设为10-6进 行迭代计算。迭代收敛

10、后的结果见图5和图6cIterationsiterationsIterationsiterations图5残差收敛图示图6扭矩收敛图示5结果分析通过约3000次的迭代运算，计算结果收敛，残差和扭矩的误差都低于设定值。通过FLUENT的后处 理程序，可以直观地显示流场及叶片周围的空气流动情况和压力分布特征。选择整个流场区域display速 度云图和压力云图，结果如图7和图8所示。图7速度分布云图图8压力分布云图从图7速度云图中可以看出，风流由于受到叶片的阻力作用，在抵达叶片之前速度急剧降低，在叶 片迎风面处的速度降为零，叶片左右两侧的风速明显升高，这表明Savonius风力机具有较大的阻力系 数

11、。从图8压力云图可以看出叶片处的压力波动明显。由于叶片的阻力作用，风流速度发生改变，部分 风流速度增加，压力变小，也就导致了右侧叶片迎风侧负压区域的出现；叶片的迎风侧受压较大、为正值，叶片的背风侧所受的压力为负值。通过分析可知：左侧叶片迎、背风侧的压力差大于右侧叶片，正 是由于左右叶片的压力差，从而推动风力机叶片绕中心转轴逆时针转动，揭示了 Savonius风力机的工作 原理。图9为速度矢量图，通过分析可知:流体在抵达叶片之前，风流稳定，在抵达叶片后，风流的大小和方向发生显著变化，风流在到达右侧叶片的迎风侧时，由于叶片的阻力作用，风速方向发生改变， 部分转向左侧叶片变成动力，其余部分变为阻力，

12、这在很大程度上降低了风能的利用率，产生了较大的 能量损失，导致风能利用率较低，同时说明该种风力机具有较大的改进提升空间。6结语设计了一种适合低风速启动的小型垂直轴风力发电机叶片，针对Savonius阻力型风力扰流流动特 点，运用ICEM进行了二维建模及网格划分，Savonius风力机叶片的流动情况进行数值模拟，得到其流 场和压力场，通过对其气动性能进行分析后得到以下结论：(1)风流在抵达叶片之前速度急剧降低，在叶片的迎风面处的风速为零，表明Savonius风力机具有较大的阻力系数。(2)左侧叶片迎、背风侧的压力差大于右侧叶片，这样就形成了左右叶片的压力差，从而推动风力机 叶片绕中心转轴逆时针转

13、动，揭示了 Savonius风力机的工作原理。(3)右侧叶片迎风侧风流一部分转化为动力，一部分转化为阻力，降低了风能的利用率，产生了较大 的能量损失，导致风能利用率较低，表明该风力机具有较大的改进提升空间。参考文献II姚激，张立翔.基于滑移网格的小型垂直轴风力机气动性能的数值模拟J.机械与电子,2013(5):12-15.12范正萍.垂直轴微风发电机的叶片设计与模拟分析D.厦门大学,2008.武浩浩.小型垂直轴风力机叶片气动特性模拟与分析J.荆楚理工学院学报,2011,26(5):18-21.4周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实例分析M.中国水利水电出版社,2013:151.155.5武浩浩.小型垂直轴风力机叶片气动特性模拟与分析J.荆楚理工学院学报.2011.26(5):18-21.|6周俊杰，徐国权,张华俊.FLUENT工程技术与实例分析M.中国水利水电出版社,2013:151/55.