涡轮出口气流角对低速风力引射器流场影响的数值研究

2 低速掺混引射风力涡轮模型
2.1 几何结构及网格独立性验证介绍 本文所设计的低速引射式风力涡轮由单级涡轮
和 风 力 引 射 器 组 成 ，几 何 结 构 参 见 图 1。 计 算 域 由 外 场 、涡 轮 部 分 、掺 混 部 分 构 成 。 计 算 域 外 场 取 直 径 取 涡 轮 直 径 8.67 倍 ，外 场 的 长 取 模 型 长 度 的 13.3 倍 ，风 力涡轮位于流域长度的 40%处。为了消除单个扇形 流 道 尖 角 处 周 期 性 边 界 导 致 的 旋 涡 奇 异 现 象 ，以 及 由于外流域过小引起的风力涡轮进口能量过高而带 来 的 误 差 ，此 计 算 域 尺 寸 的 选 取 经 过 了 边 界 无 关 性 验 证 ，确 保 了 涡 轮 进 口 边 界 为 远 场 边 界 ，消 除 流 域 过 小引起的数值计算系统误差。
（a）New wind turbine
（b）Turbine stage
（c）Wind ejector
Fig. 1 Schematic diagram of low-speed wind turbine with wind ejector
第 36 卷 第 12 期
涡轮出口气流角对低速风力引射器流场影响的数值研究
2015 年 12 月 第 36 卷 第 12 期
推进技术
JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY
Dec. 2015 Vol.36 No.12
涡轮出口气流角对低速风力引射器流场影响的数值研究*
韩万龙，颜培刚，韩万金，何玉荣
（哈尔滨工业大学 能源学院，黑龙江 哈尔滨 150001）
（School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）
Abstract：The turbofan engine nozzle ejector technology was adopted to design a high-efficiency low speed wind turbine with the double bypass for a broader areas in the world. The aerodynamic characteristics of the windejector of the new wind turbine were numerically researched on turbine outlet flow angle changing based on Reyn⁃ olds- averaged NS equations and k- Epsilon turbulence model， using commercial software CFX. Results show that，as the angle between turbine outlet flow and the rotation axis increased from 0°to 30°，the positive vorticity of the stream-wise vortice pairs migrated to the negative vorticity，the maximum normal vorticity was gradually reduced by 1/3，the separation vortex pairs adhesion of the lobes were gradually forced to mix with the separation vortices near the suction surface of the channels， the total pressure loss in the lobes of the wind- ejector in⁃ creased from 2.4% to 5%，and if the angle was greater than 10°，the flow stability of the wind turbine outflow field rapidly disappeared.
1811
（a）Schematic diagram of fluid domain
（b）Partial mesh
Fig. 2 Schematic diagram of fluid domain and partial mesh
加 密 ，为 了 精 细 计 算 涡 轮 、风 力 引 射 器 、外 涵 道 两 侧 以 及 掺 混 后 气 流 的 流 动 和 发 展 情 况 ，在 这 些 区 域 均 采用较密网格。网格密度由外向内先不断增加后不 变 ，在 所 有 流 流 交 界 面 处 设 定 相 同 的 网 格 大 小 ，确 保 数据传递的连续性。如图 3 所示，为验证计算结果的 网 格 无 关 性 ，分 别 作 了 总 数 为 710，905，1010，1090， 1330 万 的 网 格 ，兼 顾 计 算 量 和 准 确 性 最 终 选 择 1090 万网格方案。
本文参考了航空发动机喷管引射技术设计了引 射 式 风 力 涡 轮 ，以 其 引 射 混 合 器 为 研 究 对 象 ，考 察 了 风力涡轮后侧的气流出流与外涵道内外侧气流的作 用 。 在 航 空 引 射 器 研 究 中 ，涡 轮 转 子 出 流 气 体 冲 角 对 波 瓣 引 射 器 的 性 能 将 产 生 影 响，国 内 学 者 苏 尚 美［8］ 等指出进口预旋角导致附加流向涡对及中心锥下游
Numerical Research on Effects of Turbine Outlet Flow Angle on Aerodynamic Performance of Wind-Ejector of
Low-Speed Wind Turbine
HAN Wan-long，YAN Pei-gang，HAN Wan-jin，HE Yu-rong
摘 要：为了开发先进的具有广泛适用性的低速风力涡轮，采用涡扇发动机喷管引射技术设计了双
涵道风力涡轮，以新型低速引射式风力涡轮的引射混合器为研究对象，采用 CFX 商用软件基于 RANS 方
程和 k-Epsilon 湍流模型，数值研究了涡轮出口气流角对风力引射器混合性能的影响。研究结果显示，
涡轮出口气流与轴向夹角由 0°增至 30°，引起了波瓣后侧流向涡量迁移，最大正交涡量降低了 1/3，波瓣
本 文 计 算 域 共 由 10 个 域 构 成 ，涡 轮 叶 片 部 分 采 用 结 构 化 网 格 ，其 他 流 域 采 用 非 结 构 化 网 格 ，如 图 2 所 示 ，计 算 域 中 采 用 非 结 构 化 网 格 的 流 体 固 体 交 界 面 网 格 均 进 行 10～15 层 增 长 率 为 1.1 的 棱 柱 层 网 格
Key words：Wind-ejector；Turbine outlet flow angle；Stream-wise vortice；Normal vortice；Wind tur⁃ bine
1引言
近 年 ，美 国 颁 布 清 洁 能 源 安 全 法 案 ，提 出 电 力 部
门 2020 年 前 12％ 的 发 电 量 要 来 自 风 能 、太 阳 能 等 再 生能源。我国国家发改委制定了国家风力发电中长 期 发 展 规 划 ，提 出 到 2020 年 全 国 建 设 2000 万 kW 风
* 收稿日期：2014-08-29；修订日期：2014-10-10。 基金项目：国家自然科学基金 （51121004）。 作者简介：韩万龙 （1984—），男，博士生，研究领域为叶轮机械气动热力学。E-mail: lingyunxiaoshan@
宏伟目标。低速风能在世界范围分布广 泛 ，开 发 高 效 、具 有 广 泛 适 用 性 的 低 速 风 力 涡 轮 ，将 有 助 于 风 能 走 进 千 家 万 户 ，对 21 世 纪 人 类 清 洁 能 源 的利用有重要意义。国内外学者在低速风能的开发 利 用 领 域 开 展 了 相 关 的 研 究 工 作 ，这 将 成 为 风 能 利 用的一个新增长点。为了进一步利用低品位风能、 提 高 风 能 利 用 率 和 扩 大 风 能 的 利 用 范 围 ，一 些 新 理 念 被 用 于 风 力 涡 轮 设 计 。 Daryoush Allaei 等［1］设 计 了 INVELOX 型 低 速 烟 囱 风 力 涡 轮 ，其 理 念 是 通 过 收 集 高 处 的 低 速 气 体 ，获 得 在 地 面 的 文 丘 里 管 道 喉 部 处 高 速 的 气 流 ，来 推 动 涡 轮 做 功 。 Chong W T 等［2］提 出 一种可以利用低速风能的楼房顶部兼有雨水收集系 统 的 垂 直 轴 风 力 涡 轮 结 构 。 Werle M J 等 从 ［3，4］ 管 道 流 动 涡 轮 的 计 算 公 式 入 手 ，推 导 并 分 析 了 在 理 想 状 态下端部壁面阻碍作用以及与二次流掺混耦合效 果，提出了端部阻力系数 Cs 概念，从理论上论证了采 用端部阻碍作用的风力涡轮风能利用率可以达到或 超 过 贝 茨 极 限 ，但 低 于 修 正 后 的 考 虑 阻 碍 效 应 的 贝 茨 极 限 ，这 引 起 了 风 力 涡 轮 设 计 人 员 的 极 大 兴 趣 。 Bryan E Kaiser 等［5］采 用 CFD 方 法 研 究 了 具 有 端 部 阻 碍 效 应 的 多 叶 片 水 平 轴 风 力 涡 轮 ，通 过 与 实 验 对 比 分 析 了 多 种 湍 流 模 型 的 敏 感 性 ，指 出 SST 与 k-ε模 型 与 实 验 结 果 吻 合 较 好 。 Jifeng Wang 等［6］设 计 了 一 种 采 用 非 传 统 叶 片 的 多 叶 片 扩 张 管 道 风 力 涡 轮 ，在 最 佳工况获得了常规风力涡轮两倍的风能利用率，Cp 达 到 0.65。 Kazuhiko Toshimitsu 等［7］采 用 CFD 和 PIV 技 术研究了稳定来流和正弦波动的来流端部扩张型风 力 涡 轮 工 作 特 性 ，并 指 了 风 力 涡 轮 性 能 依 赖 其 后 旋 涡结构和进口湍流强度。