基于风洞试验和仿真的垂直轴风力发电机的湍流模型分析.docx
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基于风洞试验和仿真的垂直轴风力发电机的湍流模型分析
基于风洞试验和仿真的垂直轴风力发电机的湍流模型分析
杨燕昭1，2，郭志平1，张艳锋1，2，李庆安3（1.内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特010051；2.日本国立三重大学共生环境工学研究科，三重县津市5148507；3.日本国立三重大学机械工学研究科，三重县津市5148507）摘要：
对于湍流的计算一直是流体力学领域的难点，而垂直轴风力发电机周围流场的湍流非常复杂，对其CFD仿真模拟选取湍流模型一直各抒己见。
选取目前使用最为广泛的SSTk-ω、Realizek-ε、RNGk-ε和标准k-ε湍流模型进行CFD仿真，模拟双叶片直线翼垂直轴风力发电机的叶片表面压力分布和单叶片转矩系数，并与采用高速多点压力测量仪和力矩传感器测量的实验数据进行对比分析。
其结论为，在叶片失速区，采用标准k-ε和Realizek-ε湍流模型CFD仿真模拟的结果与实验值拟合度很低；当叶片处于深度失速区时，采用RNGk-ε湍流模型CFD仿真模拟的结果与实验结果拟合度最高，而在轻失速区时，采用SSTk-ω湍流模型模拟得到的值与实验测量值拟合度最好。
从单叶片转矩系数角度分析可得，采用SSTk-ω湍流模型模拟得到的值与实验测量值拟合度最好。
关键词：
垂直轴风力发电机；SSTk-ω；Realizek-ε；RNGk-ε；标准k-ε湍流模型1引言与技术非常成熟的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机的发明时间最早，却研发较晚[1-2]。
其原因是垂直轴风力发电机的叶片的相对风速和功角随回转角不断变化，导致其流场极为复杂[3-4]。
如果采用人工计算其流场，一次至少需要几年时间，在没有高性能计算机和实验条件较为落后的时代，垂直轴风力发电机的研究由此被束缚了前进的脚步[5]。
近年来，随着高性能计算机的快速发展和实验条件的不断改善，且垂直轴风力发电机具有无需对风装置和低风速启动的优良特性，重新获得了科研人员的青睐[6]。
为了节约科研经费和减少研发周期，科研人员大都在实验之前利用CFD仿真技术进行前期预研[7]。
但是，CFD仿真模拟所采用的湍流模型却是各异。
目前采用较多的是SSTk-ω、Realizek-ε、RNGk-ε和标准k-ε湍流模型，对这四个模型应用在CFD仿真模拟垂直轴风力发电机流场的优缺点各抒己见。
文献[8]采用RNGk-ε湍流模型进行CFD仿真模拟了小型垂直轴风力发电机的空气动力学特性，认为RNGk-ε湍流模型计算大窝量分离的流场会更加准确；文献[9]则采用SSTk-ω湍流模型模拟小型风力发电机翼型修改的影响，认为此模型结合了k-ε湍流模型和标准SSTk-ω湍流模型的优势，对于可变加权函数可以提供更大的权重；文献[10]利用Realizek-ε和SSTk-ω湍流模型进行CFD仿真计算H型小型垂直轴风力发电机的能量转，认为SSTk-ω湍流模型对于入口自由流过于敏感，且花费仿真时间较多，不如Realizek-ε湍流模型性能优良；文献[11]利用标准k-ε湍流模型模拟了垂直轴风力发电机的三维流场特性。
到底哪个模型计算垂直轴风力发电的气动特性更加准确。
对双叶片直线翼垂直轴风力发电机分别采用RNGk-ε湍流模型和SSTk-ω湍流模型进行CFD仿真模拟，并利用风洞试验进行验证，对比分析得到最适合CFD仿真模拟垂直轴风力发电机的湍流模型。
2物理模型垂直轴风力电机的叶轮简图，如图1所示。
此风轮采用双叶片直线翼模型，叶轮的回转直径D=2.0m，叶轮高H=1.2m，叶轮的叶片采用NACA0021对称翼型，其弦长c=0.265m。
图1风机叶轮简图
Fig.1FanImpellerDiagram叶片受力和速度矢量图，如图2所示。
角度θ、α、β和φ分别为叶片的回转角、功角、安装角和总角，叶片的总角为叶片功角和安装角之和。
叶片顺时针旋转。
沿回转圆半径方向的力FN为法向力，沿回转圆切线方向的力FT为切向力。
风速U、V和W分别为叶片的局部风速、切向风速和相对风速，由局部风速U和切向风速V合成得到相对风速W。
图2叶片受力与速度适量图
Fig.2TheForceandVelocityofBladeintheBladeCFD仿真的数值域，如图3所示。
此域的长度为20D，宽度为10D，高度为D。
由于此模型采用滑移网格技术，此数值域分为旋转数值域（Move）和静止数值域（Static）。
CFD仿真的旋转数值域，如图4所示。
其旋转数值域的外圆半径为1.2m，内圆的半径为0.8m，旋转数值域与静止数值域的交界面采用interface边界条件，入口采用inlet边界条件，出口采用oulet边界条件，分别采用SSTk-ω、Realizek-ε、RNGk-ε和标准k-ε湍流模型。
叶片表面附近对网格进行了加密处理，如图5所示。
尤其叶片前缘的网格在纵向与横向均得到加密，其原因是叶片前缘的压力梯度大于叶片尾缘所致。
图3CFD仿真数值域
Fig.3CFDSimulationNumberRange图4CFD仿真旋转数值域
Fig.4CFDSimulationRotationCountingRange图5叶片附近网格分布
Fig.5GridDistributionNearBlade3实验设备图6垂直轴风力发电机风洞实验原理图
Fig.6ExperimentalSchematicofWindTunnelinVerticalAxisWindTurbine实验任务是测量叶片回转一周过程中叶片表面的压力分布。
实验采用开口半径为1.5m的大型开口回流型风洞，如图6所示。
风力发电机采用1：
1比例，测压设备采用多点测量仪，其压力传感器的型号为ZOC22B，测量功率系数采用的力矩传感器的型号为TS-2700。
压力补正原理图，如图7所示。
叶片表面的压力分布与风洞吹风实验的压力分布相同，叶片表面设置32个压力点，其压力点的布置采用从尾缘至前缘密度逐渐增大，叶片表面压力孔的直径为0.4mm。
图7压力测量补正系统原理简图
Fig.7SchematicDiagramofPressureMeasurementComplementSystem4CFD仿真结果与实验结果对比分析4.1叶片表面压力分布对比分析几乎所有由CFD仿真模拟所得叶片表面压力差都大于实验测量所得，如图8所示。
图8在各湍流模型下仿真计算和实验测量得到的压力分布对比
Fig.8ShowstheComparisonofPressureDistributionUnderEachTurbulentModelandtheExperimentalMeasurement但总体拟合度较好，上流域的拟合度高于下流域，在下流域CFD仿真模拟误差较大。
SSTk-ω、Realizek-ε、RNGk-ε和标准k-ε湍流模型在叶片尾缘的拟合度非常高。
但是，在叶片前缘的拟合度较低，其计算的偏差也主要来源于叶片的前缘。
此现象的原因是叶片前缘压力梯度大，相对于叶片尾缘对湍流模型的选择较为敏感。
当回转角在0°、30°、180°、210°、240°、370°、300°和330°时，上述四个湍流模型模拟所得压力分布值拟合度很高，在这些回转角度下，叶片表面流场基本处于层流状态，所以，其拟合度很高。
但是，当回转角在60°、90°、120°、150°时，采用上述四个湍流模型模拟所得叶片表面的压力分布拟合度较低，尤其是标准k-ε和Realizek-ε湍流模型模拟的结果差异最大，而此时的叶片正处于失速状态，叶片表面的气流出现分离，叶片附近出现湍流，正是对湍流模型选择优良的验证。
有文献[12]可知，当回转角在90°附近时，叶片处于深度失速状态，此时，标准k-ε湍流模型模拟结果的精度却很低，说明采用标准k-ε湍流模型模拟深度失速的叶片流场误差很大，而在回转角下，标准k-ε湍流模型模拟的结果与实验测量的结果拟合度最高，说明，RNGk-ε湍流模型对于深度失速的模拟更加合适。
但是，当回转角在60°、120°的轻度失速区，SSTk-ω湍流模型模拟的结果拟合度最好。
4.2单叶片转矩系数分析分别在SSTk-ω、Realizek-ε、RNGk-ε和标准k-ε湍流模型下，如图9所示。
对垂直风力发电机进行CFD仿真模拟和实验测量得到的单叶片转矩系数进行对比，五条单叶片转矩系数曲线均在回转角为100°附近出现波峰，出现这种现象的原因是被测量叶片正处于叶轮的上流域，由文献[7]可知由于上流域对下流域流场的影响，使得下流域的出现风能亏损和复杂流场。
五条曲线均在回转角为30°和180°附近出现小波谷，在30°附近出现小波谷的原因是此时叶片的相对风速达到最小值，在180°附近出现小波谷的原因是此时叶片的切向速度与风向相同。
由图还可得到，当回转角在（0～70）°区间，实验测量值大于所以CFD仿真模拟所得值，SSTk-ω和Realizek-ε湍流模型CFD仿真模拟所得结果更加贴近实验值，当回转角在（70～180）°区间，SSTk-ω湍流模型预实验值拟合度最好，Realizek-ε和标准k-ε湍流模型的拟合度最差。
当回转角在（180～360）°区间，SSTk-ω、Realizek-ε和RNGk-ε湍流模型的模拟结果很相近，其值小于实验测量值，这是主要因为上流域对下流域的影响，使得下流域气流非常复杂，并且还有相对风速的影响，这些原因都造成了回转角在（180～360）°时，CFD仿真模拟值小于实验测量值。
综上分析，从单叶片转矩系数角度分析可得，采用SSTk-ω湍流模型模拟得到的值与实验测量值拟合度最好。
图9在各湍流模型下CFD仿真计算和实验计算得到的回转一周单叶片转矩系数对比
Fig.9ShowstheComparisonofSingle-BladeTorqueCoefficientsintheRotationofCFDSimulationandExperimentalCalculationUnderEachTurbulentModel5结论通过上述分析可得以下结论：
（1）上述四个湍流模型模拟所得的叶片表面压力差的差异主要发生在叶片前缘；当叶片处于层流区时，上述四个湍流模型模拟所得的叶片表面压力差值拟合度非常好。
（2）在叶片失速区，采用标准k-ε和Realizek-ε湍流模型CFD仿真模拟的结果与实验值拟合度很低；当叶片处于深度失速区时，采用RNGk-ε湍流模型CFD仿真模拟的结果预实验结果拟合度最高，而在轻失速区时，采用SSTk-ω湍流模型模拟得到的值与实验测量值拟合度最好。
（3）从单叶片转矩系数角度分析可得，采用SSTk-ω湍流模型模拟得到的值与实验测量值拟合度最好。
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（1.CollegeofMechanicalEngineering，InnerMongoliaUniversityofTechnology，InnerMongoliaHohhot010051，China；2.GraduateSchoolofBioresources，MieUniversity，Tsucity5148507，Japan；3.DivisionofSystemEngineering，MieUniversity，Tsucity5148507，Japan）Abstract：
Thecalculationoftheturbulenceintensivehasalwaysbeendifferencesinthefieldofthefluidmechanics，andtheturbulencemodeloftheflowfieldaroundtheVerticalAxisWindTurbineisverycomplicated.Itisalwaysdifferentideathattheturbulencemodelforthesimulationoftheverticalaxiswindturbineisselected.Inthispaper，theCFDsimulationsiscarriedoutbythemostwidelyusedturbulencemodelsofSSTk-ω，Realizek-ε，RNGk-εandstandardk-εtogetthebladesurfacepressuredistributionSingle-bladetorquecoefficient.Andthesimulatedresultsandtheexperimentaldatathatgetbythetorquemeterandthemulti-portpressuredeviceswerecomparedandanalyzed.ItisconcludedthatqualityoftheCFDsimulationresultswiththestandardk-εandRealizek-εturbulencemodelareverylowinthestallregion.Whenthebladesareinthedeepstall，theresultsofCFDsimulationwithRNGk-εturbulencemodelwereingoodagreementwiththeexperimentalresults.TheresultsofCFDsimulationwithSSTk-ωturbulencemodelwereingoodagreementwiththeexperimentalresultsinthelightstallregion.Throughtheperspectiveofsingle-bladetorquecoefficient，thesimulatedvalueobtainedbySSTk-ωturbulencemodelisthebestfitwiththeexperimentalvalue.KeyWords：
Vertical-AxisWindTurbine；SSTk-ω；Realizek-ε；RNGk-ε；Standardk-εTurbulenceModel中图分类号：
TH16；TK83文献标识码：
A文章编号：
1001-3997（2017）10-0133-03来稿日期：
2017-04-08作者简介：
郭志平，（1957-），男，内蒙古丰镇人，硕士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：
动力机械；李庆安，（1985-），男，山东廊坊人，博士研究生，研究员，主要研究方向：
小型风车的标准化高效化研究
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