近场尾流效应的研究与分析

参照麦克马斯特大学研制的垂直轴风力机的基本技术参数，绘制出三叶片原始垂直轴风力机模型和单叶片垂直轴风力机模型，如图3-9所示。近场尾流分析垂直轴风力机技术参数见表3-3。

表3-3　近场尾流分析垂直轴风力机技术参数

图3-9　垂直轴风力机模型图

对图3-9中的两个垂直轴风力机模型进行CFD数值计算，得到了近场尾流对垂直轴风力机气动特性的影响。图3-10为两模型中单根叶片扭矩输出随方位角变化对比图，提取叶片初始方位角与单根叶片模型中叶片方位角一致，且圆盘方位角排布与真实风轮方位角排布一致。由图可见，叶片在迎风位置扭矩达到最大值，且单根叶片模型由于不受其他叶片尾流干扰，扭矩输出峰值高于原始模型中单根叶片，并且单根叶片模型中叶片扭矩峰值发生时间早于原始叶片。然而，原始模型中单根叶片扭矩输出降低速率低于单根叶片模型。

(www.xing528.com)

图3-10　两模型中单根叶片扭矩随方位角变化

图3-11　原始模型单根叶片切向牵引力变化

图3-11为原始模型中单根叶片切向牵引力在一个旋转周期内沿展向变化图。由图3-11可见，叶片扭矩输出集中在叶片中部范围内，叶梢部位对于整台风力机的功率输出贡献最少。叶梢牵引力在扭矩输出达到峰值时（ψ=190°）迅速下降，而在扭矩输出较低时（ψ=0°）牵引力显著提升，叶梢部位牵引力与叶片中部截面牵引力相比较存在延迟现象。

图3-12　垂直轴风力机叶片涡强分布

图3-12为工作状态下垂直轴风力机叶片涡强分布。由图3-12可见，三个叶片叶梢部位拖曳的漩涡强度较为集中，此处牵引力最低。偏离叶梢部位，涡强分布较弱，叶片中部产生的涡强最弱，因此叶片的功率输出主要集中在该部位。图中叶片在图示方位角产生牵引力较大，而叶梢处涡强最大。叶片在图示位置牵引力最低，叶梢处涡强偏小。该图较为合理地解释了图3-11中的叶片牵引力分布。同时可看出，叶梢部位产生的尾流向下游发展，影响下游运行叶片的气动特性。