《布置粗糙帶的垂直軸風力機輸出特性研究》論文發表期刊：《可再生能源》；發表周期：2020年12期

《布置粗糙帶的垂直軸風力機輸出特性研究》論文作者信息：通訊作者： 陳永艷（1976-），女，博士，副教授，研究方向為風能利用技術。

　　摘要：為提高垂直軸風力機的風能利用率，改善其輸出特性，文章首先在NACA0012翼型壓力面后部布置粗糙帶，以粗糙元高度、間距高度比以及葉片安裝角作為3個影響因素進行正交設計;然后通過風洞實驗和數值模擬相結合的方法進行對比驗證。驗證結果表明：粗糙元高度對風力機功率系數的影響比間距高度比大;粗糙帶可顯著提升風力機的扭矩系數，最高可提升33%;粗糙帶可有效提高風力機的起動性能，當風速為6m/s時，與光滑翼型風力機相比，平均靜態扭矩系數可提高49%。

　　關鍵詞：垂直軸風力機;粗糙帶;輸出特性;扭矩系數

　　0引言

　　由于化石能源的不可再生性，以及世界范圍內環境問題的日益嚴重，大力發展包括風能在內的可再生能源已經成為人們的共識。垂直軸風力機以其結構簡單、無需對風等獨特優勢受到業界普遍關注，國內外學者在優化翼型改善氣動性能方面進行了諸多研究，并取得了較大進展1。

　　Nagao SP和Boese M"將溝槽分別布置于葉片壓力面和吸力面進行研究，結果表明，吸力面布置溝槽可以減小阻力，壓力面布置溝槽則會增加阻力，嚴重影響風力機的氣動性能。汪泉問分別用對稱翼型和非對稱翼型建立仿真模型進行二維模擬計算，結果表明：在低葉尖速比下，非對稱翼型的氣動特性較好;在高葉尖速比下，對稱翼型的氣動特性較好。胡丹梅 對融合小翼風力機在額定工況下的氣動性能進行了數值模擬，得到了不同傾角的小翼會改變葉尖流場分布，從而改變葉尖部分和小翼的輸出功率的結論。郭少真n將不同的小翼布置于風力機的后緣，結果表明，風力機可通過小翼消除葉尖渦，進而提升扭矩系數。董世充對翼型表面粗糙度變化時，在兩個特定攻角下翼型氣動性能的變化情況進行了研究，結果表明，在翼型吸力面、前緣和尾緣布置粗糙帶時，翼型的氣動性能變化較大。李德順網運用數值模擬的方法對DU96-W-180翼型前緣不同磨損形貌進行探究，結果顯示：形貌為小坑時，其對升力系數和阻力系數的影響均較小;形貌為脫皮時，葉片會提前發生流動分離，與光滑翼型相比，升阻比最高可減少60%左右。張旭[0針對考慮粗糙度敏感位置的風力機翼型鈍尾緣改型前后的氣動性能進行了研究，揭示了鈍尾緣改型對表面粗糙翼型增升效果的影響規律，鈍尾緣改型使升力系數和最大升阻比均明顯升高，顯著改善了表面粗糙翼型的氣動性能。上述研究表明，表面粗糙度對翼型氣動性能有較大影響。目前，研究的翼型集中在水平軸風力機翼型上，對垂直軸風力機翼型的研究鮮有涉及。

　　基于此，本文將粗糙帶應用于垂直軸風力機，將其布置于翼型壓力面后部0.1C-0.6C處(C為弦長)，通過風洞實驗和數值模擬相結合的方法進行對比驗證，探究粗糙帶對垂直軸風力機輸出特性的影響，為進一步改善垂直軸風力機的氣動性能提供參考。

　　1正交試驗設計

　　粗糙帶的主要參數為粗糙元高度h和間距高度比d，又因為葉片安裝角對垂直軸風力機的氣動性能影響較大，本次正交試驗選取了3個因素，分別為安裝角a，h和d，其中d為兩個粗糙元之間的距離與h的比值。a和d均選取了4個水平，根據以往試驗數據，a選擇了效果較好的4個角度。試驗表明，當風速為15m/s，d為7時，增阻效果最好，結合設定風速，本次正交試驗選擇了該4個水平，詳細數值如表1所示。

　　考慮到粗糙元太高可能對風力機原有氣動性能產生反作用，故h選取了3個水平，因為沒有現成的混合水平正交表，故須要用到“擬水平法"，具體為根據實際經驗，在h現有的3個水平中選一個較好的水平作為h的第四水平，這樣便可以采用Lo(4)正交表來安排試驗。根據以上各因素和各水平的要求，采用La(4)正交表，該表為3因素4水平，試驗次數為16次。

　　2風洞實驗

　　本次風洞實驗采用NACA0012翼型葉片，風力機布置如圖1所示，葉片參數如表2所示。進行風洞實驗的目的是確定適合布置粗糙帶的最佳a和粗糙帶參數，這不僅可以為后續數值模擬提供指導和依據，還可以與數值模擬結果進行對比驗證。

　　2.1風洞實驗方案

　　實驗所用粗糙元截面為長方形，考慮到可操作性，粗糙元截面長度為5mm。為了減緩葉片壓力面邊界層的氣流速度，增大內、外表面壓差，進而提高升力系數，故將其布置于葉片壓力面后部0.1C-0.6C處。實驗在內蒙古工業大學風能基地低速風洞進行，通過在風洞口手持熱線式風速儀標定風速，輸出風速為9m/s，通過調節負載箱改變轉速進而控制葉尖速比A，通過觀察Fluke高精度功率分析儀來實時記錄風力機瞬時功率。

　　2.2風洞實驗結果

　　將測得的實驗數據進行處理后，得到無粗糙帶葉片風力機與布置不同粗糙帶風力機在不同轉速下的功率值，發現風力機在不同工況下測得的功率隨入的變化趨勢基本一致，均在A為1.6時取得最大值。圖2為無粗糙帶風力機和布置1-3型粗糙帶風力機的功率隨入的變化曲線，1-3型粗糙帶具有普適性，一般性。

　　由圖2可知，當入小于1.6時，粗糙帶對風力機功率的提升作用較為明顯。

　　以A為1.6時進行分析，根據經驗a設為20，得到此時的h與d的交互作用表(表3)。表中數值為該工況下的功率值與光滑翼型風力機功率值的差值。

　　依據表3的分析結果，當d設為3時，得到h與a的交互作用表(表4)。

　　由表3，4可知：d無明顯規律可循，總體來看d較大時功率提升效果較好;h對功率的影響為1 mm>2 mm>3 mm，當h為1 mm時，效果更好;除了安裝角之外，h對風力機功率值的影響比d大。

　　3計算模型和數值模擬方法

　　3.1幾何模型

　　數值模擬可以靈活地設定參數，為確定更加合理的粗糙帶尺寸，在風洞實驗的基礎上進行數值模擬，圖3為翼型NACA0012表面粗糙帶分布圖。

　　將粗糙元為方形的粗糙帶布置于翼型壓力面后面0.1C-0.6C處，基于風洞實驗結論，h分別為0.8，12 mm和1.4 mm，粗糙元d分別為4，4.5，5和5.5，h與d依次組合匹配，研究h和d對風力機輸出特性的影響。為確保充分流動，計算域長為20D，寬為10D，風輪距出口的距離為L=15D。圖4為計算區域示意圖。

　　由于網格數量與質量會直接影響模擬的效率與模擬結果的準確性，針對翼型布置粗糙帶的網格區域，采用三角形非結構化網格對其進行加密，第一層網格高度Ah=0.002 mm，Y=1.5，時間步長為0.004 7 s，為風輪旋轉100所需時間。并設計多種網格劃分方案，進行網格無關化驗證，驗證結果如圖5所示。布置不同高度粗糙帶的風力機最佳網格數量：光滑表面模型為38.9萬;h為0.8mm時，網格數量為41.3萬;h為1.0mm時，網格數量為40.5萬;h為1.2 mm時，網格數量為42.1萬;h為1.4mm時，網格數量為43.6萬。

　　3.2邊界條件

　　壁面附近采用增強型壁面函數。差分格式選取二階迎風模式，速度與壓力的迭代求解采用SIMPLEC算法，收斂條件設置為殘差水平下降到10，本流場選取速度入口邊界條件，速度方向與入口邊界垂直，出口為壓力出口，上、下邊界和翼型表面均采用無滑移壁面邊界條件，靜止域與旋轉域交界面設置為滑移交界面。

　　4結果與分析

　　4.1粗糙帶對風力機轉矩系數影響數值模擬轉矩系數指風產生的旋轉扭矩有多少被風力機利用。

　　Ca-M

　　2PARV21)

　　式中：M為風力機轉矩，N-m;V為風速，m/s;R為風輪半徑，m;A為風輪掃略面積，m'sp為空氣密度，kg/m'。

　　圖6所示為不同粗糙帶的風力機的C隨A的變化曲線。

　　由圖6可知：因為經過了正交試驗對粗糙帶參數的篩選，故模擬采用的不同粗糙帶對風力機扭矩系數均產生了積極影響;當A小于0.5時，布置有粗糙帶的風力機的Ca較光滑翼型風力機略有提高;當入為0.5-2.5時，不同的粗糙帶均對風力機產生了不同程度的改善，并且當A為1.5左右時，風力機的C.取得了最大值，其中粗糙帶布置為1.2-4.5的風力機表現最為突出，其最大Ca較光滑翼型風力機提高了33%;當入超過1.5后，由于動態失速嚴重，C迅速下降。

　　4.2粗糙帶對風力機起動性性的影響在此采用光滑翼型和布置1.2-4.5粗糙帶的NACA0012翼型風力機為計算模型，在風速為6，8，10 m/s時，分別計算風力機在靜止狀態下一個轉動周期內Ca隨旋轉角的變化情況，計算角度間隔為10"，計算結果如圖7所示。

　　由圖7可知：在一個旋轉周期內，無論布置粗糙帶與否，風力機Ca的總體變化基本趨于一致，除風速為10m/s時布置1.2-4.5型粗糙帶的風力機外，其余工況均顯示，當方位角為90時，風力機C.最低;當風速為6m/s時，與光滑翼型風力機相比，布置12-45型粗糙帶的風力機的C.略有提高，并且這一現象在方位角超過900之后更加明顯;當風速分別為8m/s和10m/s時，在方位角為0-600時，布置粗糙帶的風力機的Ca略有提升，在方位角為60-1200時明顯增大。圖8所示為不同風速下有無粗糙帶的風力機的平均Ca的柱狀圖。

　　由圖8可知：當風速為6m/s時，無粗糙帶鳳力機的平均Ga為0.039，布置粗糙帶的風力機的平均Ca為0.058，提升了49%;當風速為8m/s時，光滑翼型風力機的平均Ca為0.061，布置粗糙帶的風力機的Ca為0.078，提升了28%;當風速為10 m/s時，光滑翼型風力機的平均Ca為

　　0.082，布置粗糙帶的風力機的平均C為0.119提升了45%。因此，葉片外表面后部布置粗糙帶對風力機起動性影響明顯，當風速為6m/s時，粗糙帶對風力機Ca的提升效果更加明顯。

　　5結論

　　本文通過風洞實驗和數值模擬對比驗證的方法，研究了不同尺寸的粗糙帶對風力機的C、功率以及風力機起動性的影響，得出如下結論。

　　0d無明顯規律可循，但可以看出d為4.5時，功率提升效果較好，h對風力機C值的影響較d更大。

　　②不同粗糙帶對風力機C均可產生積極影響，其中布置1.2-4.5型粗糙帶的風力機，其最大C較光滑翼型風力機提高了33%

　　③粗糙帶可有效提高風力機的起動性能，當

　　風速為6m/s時，與光滑翼型風力機相比，布置粗

　　糙帶的風力機的平均靜態Ca可提高49%。

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