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【摘要】本文主要是对垂直轴风力机风轮空气动力设计的研究。首先对各型垂直轴风力机的原理和设计特点进行了分析总结；其次，以多流管模型为理论基础，编写了可用于φ型达里厄垂直轴风力机性能预测的程序，且程序的可靠性很高；最后，利用FLUENT的滑移网格技术，对设计的风轮进行了数值模拟，结果表明，多流管模型应用于该风力机性能的预测精度很高。
【关键词】垂直轴风力机；多流管模型；数值模拟
一、垂直轴风力机概述
虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机均为水平轴的，但垂直轴风力机，尤其是达里厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效率，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注[1]。
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。其主要优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构设计简化。
垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，这无疑是一个值得高度评价的特点[2]。
垂直轴风力机的两种主要类别：
1、利用空气动力的阻力作功，典型的结构是S型风轮。其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。
2、利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。达里厄风力机有多种形式，φ型、H型、Δ型、Y型和菱形等。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H型风轮和φ型风轮为典型。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。
二、性能计算
2.1理论基础
对于垂直轴风力机的性能计算，目前常用的包括单流管理论，多流管和双多流管理论。单流管理论由于许多假设条件的严格限制，很多因素的影响都没有考虑进去，当需要比较精确的计算结果时，这种方法就不是很适用。这时一般采用多流管方法。
多流管理论的空气动力学模型是以Glaueris叶素理论为基础的，它利用流动方向的动量方程为基本原理。假设有若干个流管流过风轮，其中每个流管的计算又是以单流管理论为基础，每个流管中的流体速度不尽相同，它们对叶片产生的作用力也是各不相同的。迭加起来就得到整个风轮受到的流体的作用力。
2.2编写性能计算程序
在编写程序进行计算时，计算的叶尖速比的离散点的个数记作NTSR。将风轮沿着主轴的方向划分为10份，记作NZH。当不考虑风切变效应时，达里厄风轮关于过主轴中点并且垂直于主轴的平面上下对称，因此只需要计算上半部分或下半部分即可。同时将风轮沿着其旋转的方向划分为19份，记作NT。
为验证程序的可靠性，对参考资料[4]中的φ型达里厄垂直轴风轮进行了验证计算，其高与半径的比，叶片形状为正弦曲线。计算叶轮密实度分别为：S=0.1、S=0.2、S=0.3、S=0.4时功率系数随叶尖速比变化的曲线，编写针对此风轮的改进程序，运行结果如图2：
三、风轮设计
3.1基本设计参数的确定
考虑到后面要对该风力机制作实物模型并进行吹风实验，因此设计之前对其本身付诸实践的难易程度和外形尺寸大小都有了严格的要求。基于此，H型风轮自然成为我们研究达里厄垂直轴风力机的首选，而且，风轮的外形尺寸给定为高H=400mm，直径D=500mm。这样即得到以下一些基本设计参数：
3.2性能计算
对于所设计的风轮，计算不同叶轮实度下的性能曲线，如图3所示：
3.3设计计算
计算各个叶轮实度下设计参数，参见表1：
3.4设计定型
分析上述各个实度下计算的设计参数，采用S=0.6时计算的设计参数，作为最后定型的方案，进行数值模拟。
四、CFD数值模拟
4.1网格划分
网格划分是在三个不同的流场区域上分别进行的，最后组装成单一的网格文件，整个流场的网格划分情况如图4：
4.2 FLUENT求解
利用FLUENT求解时，为了通过数值模拟得到所设计风轮的性能曲线，在理论计算的性能曲线（即S=0.6的性能曲线）上，选取数据点来进行数值计算。本文算例选取的数据点如表2：
对于每个数据点进行数值计算，在监视窗口可以查看迭代过程中力矩系数随流动时间的变化情况，当出现稳定的周期性，说明非定常的解已经趋于稳定，可以采集数值计算的结果。
全部数据点的数值计算结果参见表3：
将数值计算的结果和理论计算结果进行比较，即图5：
比较数值模拟和理论计算的结果，两者吻合的情况比较好，但在叶尖速比2.7附近，即对应输出功率最大值的两边，两者的吻合情况较差，而这一范围的数据，常会在设计中被采用，分析造成两者差异的主要原因有：
1、理论计算中，计算程序中尖速比离散点的个数会对功率系数的最大值产生影响；
2、数值模拟中计算点的个数取的太少，采用三次样条插值后曲线的走势相对较好，但一些细节处的误差难免存在。
总的来说，多流管理论对垂直轴风力机性能预测的精度是很高的。数值模拟的结果已经验证了这一点。
五、总结
本文对各型垂直轴风力机进行分析总结后，利用多流管理论，编写了针对φ型达里厄垂直轴风力机性能预测的程序，利用数值模拟验证了理论计算的正确性。对于φ型风轮的研究很有参考价值。
【关键词】垂直轴风力机；多流管模型；数值模拟
一、垂直轴风力机概述
虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机均为水平轴的，但垂直轴风力机，尤其是达里厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效率，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注[1]。
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转。其主要优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构设计简化。
垂直轴风力机的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上，这无疑是一个值得高度评价的特点[2]。
垂直轴风力机的两种主要类别：
1、利用空气动力的阻力作功，典型的结构是S型风轮。其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。
2、利用翼型的升力作功，最典型的是达里厄（Darrieus）型风力机。达里厄风力机有多种形式，φ型、H型、Δ型、Y型和菱形等。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H型风轮和φ型风轮为典型。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动产生的合力形成转矩。
二、性能计算
2.1理论基础
对于垂直轴风力机的性能计算，目前常用的包括单流管理论，多流管和双多流管理论。单流管理论由于许多假设条件的严格限制，很多因素的影响都没有考虑进去，当需要比较精确的计算结果时，这种方法就不是很适用。这时一般采用多流管方法。
多流管理论的空气动力学模型是以Glaueris叶素理论为基础的，它利用流动方向的动量方程为基本原理。假设有若干个流管流过风轮，其中每个流管的计算又是以单流管理论为基础，每个流管中的流体速度不尽相同，它们对叶片产生的作用力也是各不相同的。迭加起来就得到整个风轮受到的流体的作用力。
2.2编写性能计算程序
在编写程序进行计算时，计算的叶尖速比的离散点的个数记作NTSR。将风轮沿着主轴的方向划分为10份，记作NZH。当不考虑风切变效应时，达里厄风轮关于过主轴中点并且垂直于主轴的平面上下对称，因此只需要计算上半部分或下半部分即可。同时将风轮沿着其旋转的方向划分为19份，记作NT。
为验证程序的可靠性，对参考资料[4]中的φ型达里厄垂直轴风轮进行了验证计算，其高与半径的比，叶片形状为正弦曲线。计算叶轮密实度分别为：S=0.1、S=0.2、S=0.3、S=0.4时功率系数随叶尖速比变化的曲线，编写针对此风轮的改进程序，运行结果如图2：
三、风轮设计
3.1基本设计参数的确定
考虑到后面要对该风力机制作实物模型并进行吹风实验，因此设计之前对其本身付诸实践的难易程度和外形尺寸大小都有了严格的要求。基于此，H型风轮自然成为我们研究达里厄垂直轴风力机的首选，而且，风轮的外形尺寸给定为高H=400mm，直径D=500mm。这样即得到以下一些基本设计参数：
3.2性能计算
对于所设计的风轮，计算不同叶轮实度下的性能曲线，如图3所示：
3.3设计计算
计算各个叶轮实度下设计参数，参见表1：
3.4设计定型
分析上述各个实度下计算的设计参数，采用S=0.6时计算的设计参数，作为最后定型的方案，进行数值模拟。
四、CFD数值模拟
4.1网格划分
网格划分是在三个不同的流场区域上分别进行的，最后组装成单一的网格文件，整个流场的网格划分情况如图4：
4.2 FLUENT求解
利用FLUENT求解时，为了通过数值模拟得到所设计风轮的性能曲线，在理论计算的性能曲线（即S=0.6的性能曲线）上，选取数据点来进行数值计算。本文算例选取的数据点如表2：
对于每个数据点进行数值计算，在监视窗口可以查看迭代过程中力矩系数随流动时间的变化情况，当出现稳定的周期性，说明非定常的解已经趋于稳定，可以采集数值计算的结果。
全部数据点的数值计算结果参见表3：
将数值计算的结果和理论计算结果进行比较，即图5：
比较数值模拟和理论计算的结果，两者吻合的情况比较好，但在叶尖速比2.7附近，即对应输出功率最大值的两边，两者的吻合情况较差，而这一范围的数据，常会在设计中被采用，分析造成两者差异的主要原因有：
1、理论计算中，计算程序中尖速比离散点的个数会对功率系数的最大值产生影响；
2、数值模拟中计算点的个数取的太少，采用三次样条插值后曲线的走势相对较好，但一些细节处的误差难免存在。
总的来说，多流管理论对垂直轴风力机性能预测的精度是很高的。数值模拟的结果已经验证了这一点。
五、总结
本文对各型垂直轴风力机进行分析总结后，利用多流管理论，编写了针对φ型达里厄垂直轴风力机性能预测的程序，利用数值模拟验证了理论计算的正确性。对于φ型风轮的研究很有参考价值。