简易垂直轴风力发电装置模拟——Savonius风力机
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风能是一种清洁无公害的可再生能源，把风能转化为电能的技术即为风力发电技术，风力发电在实现我国双碳目标中应该说是能起到不小作用的。风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，因此从这些角度看是一项环保发电技术。但是风力机的噪声问题、对鸟类活动带来安全隐患等也是可以探讨一下的。马克思主义告诉我们，凡事都会有两面性的。风力机是风力发电中最为核心的装备，其功能就是通过叶片来捕捉风能，带动发电机来转换为电能。 风力发电机按照空气动力学原理可以分为阻力型和升力型。阻力型风力机是由于风力机的叶片在迎风方向形状不对称，引起空气阻力不同，从而产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动。阻力型风力机的风能利用系数较低，故很少用于发电。升力型风力机是利用作用在翼型叶片上的升力来推动风轮转动，现在的风力发电机组大多数采用的是升力型风力机，其风能利用系数较高。 Savonius风力机（S型风力机）是阻力型风力机中的典型型式，由芬兰人西吉尔特萨冯尼斯于1924年发明，其叶片结构如下图，风机叶轮由两个半圆柱面叶片对称安装在转轴两侧，柱面朝向相反，它是一种垂直轴风力发电装置，风向是垂直于风轮的旋转中心轴的。这种结构对于CFD而言有个得天独厚的优势，那就是便于简化为二维模型，因为叶轮的旋转方向和风向是处于一个平面的。我们只需要在旋转中心轴上做一个切片就可以提取计算域了，但是对于水平轴风力机就不好做二维简化了，因为叶轮的旋转方向和风向不处于一个平面。 今天，我们做一个简单的Savonius风力机模拟。 根据如下尺寸创建二维S型风力机模型，并将计算域向外扩，该案例中我们采用MRF或者sliding mesh模拟风机的转动，因此需要将计算域通过圆周切分为静态域（外部流体）和旋转域（风机叶片及附近流体域），两者通过一对interface进行数据传递。这是非常基础的非连续性网格，可以分别建模划分网格然后进行网格装配，也可以直接在workbench的mesh模块里建模划分网格（读者如果感兴趣的话后续我们可以针对性的做一个视频），本案例不做冗述。建模时，为了方便后续旋转边界的定义，建议将风轮旋转中心设置在圆点。由于叶片的厚度相对于计算域的尺度非常小，本案例采用零厚度壁面来模拟叶片。划分四边形主导网格，并对旋转域及周围的网格进行细化。 本案例我们采用SST k-ω湍流模型，该模型比较适用于风轮转动流场模拟。 创建旋转域，转速为64rpm，注意方向遵循右手定则，方向根据叶片初始位置和风向的关系来确定，也就是转向和风向要能对应得上，符合物理实际情况。比如本案例的叶片初始位置和风向如下，因此旋转方向应该是顺时针。 当然，我们也可以采用滑移网格法对风轮旋转进行动态模拟，此时采用瞬态计算，风轮是转动的。 叶片设置为运动壁面，速度相对于附近流体为0，由于零厚度壁面还有一个影子面，两者都要进行设置。 为了准确计算风轮的功率，我们需要计算其受到的转矩大小，这时候需要特别注意参考值的深度depth设置，该值应该等于三维叶片的有效高度。本案例中，我们假定叶片有效高度1m，因此采用默认值就可以。 对于该类二维旋转问题，压力速度采用coupled算法可以获得更好的收敛性特别是当转速越大时，收敛越困难，此时可以适当减小一下亚松驰因子，如果采用SIMPLE算法，迭代残差曲线可能会振荡。 风速6.4m/s，转速64rpm时，风力机功率和风能利用率分别为3.72W和7.537%。风力机的功率等于转速乘以转矩，风能利用率等于风力机功率除以风能功率（0.5×ρV3S，S为风扫掠面积，亦即叶尖旋转的直径乘以叶片高度） 另外，我们采用滑移网格法动态模拟风轮的转动（风速6.4m/s，转速64rpm），监测叶片所受的转矩（对旋转中心）曲线，可以看出其呈现周期性动态波动。[1] 小型垂直轴阻力型风力发电机功率计算方法分析
