太阳能烟囱中风压式通风装置的三维非定常数值模拟

太阳能烟囱中风压式通风装置的三维非定常数值模拟
陈佳俊;左潞;周晓天;丁玲;许波峰;王嘉良;何新屹
【摘要】By establishing the physical model of the wind pressure ventilator in solar chimney,the three-dimensional unsteady numerical simulation of the wind pressure ventilator was carried out by using the Fluent simulation software,and the flow field characteristics and performance parameters of the device were obtained.The results show that when the wind wheel diameter is 10 m and the height is 15 m,the ventilator can produce a negative pressure of 64.5 Pa at the rotational speed of 69.3 r/min under equilibrium condition;the velocity field and pressure field of the specific cross section under different azimuth angles show obvious differences,and the flow field in the wind pressure ventilator is more complex;the blade torque of the wind pressure ventilator changes cyclically,and the total torque of the fan blades has not changed much with azimuth angle.The total torque of the H-type vertical axis wind wheel blades increases first and then decreases in a cycle to achieve a dynamic balance roughly.%通过构建太阳能烟囱中风压式通风装置的物理模型,并运用Fluent仿真软件对风压式通风装置进行三维非定常数值模拟,从而获得该装置的流场特性及性能参数.研究结果表明:当风轮直径为10 m,风轮高度为15m时,平衡工况下风轮的转速为69.3
r/min,风压式通风装置能够产生64.5 Pa的负压;在特定的过流断面上,不同方位角的速度场及压力场呈现出明显的差异性,风压式通风装置内的流场较为复杂;风压式通风装置中叶片的转矩呈周期性变化,通风机叶片的总转矩随方位角变化不大;在一
个运行周期内,H型垂直轴风轮叶片的总转矩呈先增加后减小的变化趋势,总体上达到动态平衡.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2017(035)004
【总页数】7页(P606-612)
【关键词】太阳能烟囱;H型垂直轴风轮叶片;通风机叶片;非定常流场;数值模拟【作者】陈佳俊;左潞;周晓天;丁玲;许波峰;王嘉良;何新屹
【作者单位】河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098;河海大学能源与电气工程学院,江苏南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】TK514
太阳能烟囱电站（SCPP）具有结构简单、运维方便、昼夜连续发电等优点，能够实现太阳能的大规模开发和利用，拥有着巨大的应用前景。

然而，传统的SCPP能量转化效率较低，不具备大型商业应用的潜力。

联合海水淡化太阳能烟囱电站（SCPPCSD）作为近年来提出的一种新型耦合结构，在提高太阳能综合利用率的同时还附带着淡水产出，可实现多目标应用，但是其发电量却有所降低。

对于SCPP而言，影响发电量的主要因素为系统内外压力差。

由于空气密度较小，因此即使系统内外气流的温度差较大，系统内外气流的密度差却不大，从而导致系
统内外气流的压力差也不大，这样就制约了SCPP发电量的提升，这是系统本身的缺陷。

对于SCPPCSD而言，虽然可以实现在提高太阳能综合利用率的同时，实现淡水的产出，但是这种系统却并没有改善系统内外气流的压力差，相反，由于系统中部分能量被应用于海水淡化，导致集热棚内气流的温度略有降低，反而引起系统内外气流的压力差有所减小，最终造成该电站的发电量随之降低。

为了解决这一问题，本文提出了一种风力增压的联合海水淡化太阳能烟囱电站（WSSCPPCSD），通过在SCPPCSD基础上加装风压式通风装置，不仅能够提高系统的发电量，还会增加淡水产出。

针对SCPPCSD，学者们已经做了大量的研究工作。

王一平[1]提出了一种间壁冷凝换热的太阳能烟囱发电及海水淡化综合系统，并给出了冷凝系统的初步结构参数，从而验证了该综合系统技术的可行性。

左潞[2]～[5]提出了一种新型的海水淡化太
阳能烟囱联合发电系统，并建立了一个小型太阳能烟囱发电—海水淡化集成实验
模型，实验结果表明，该系统内气流与环境的最大温度差为15℃，太阳能利用率
也存在较大提高，同时，该学者还通过数值模拟的方法对该系统的流场及涡轮机的性能参数进行了研究，模拟结果表明，当稳态系统热气流能接近90 kW，涡轮机
最大轴功率达到34 kW，系统流量接近900 kg/s时，可以得到较高的小时产水量。

本文参照文献[5]的研究方法，以西班牙太阳能烟囱电站[6]为基础，构建了一定负
载条件下的SCPPCSD的数学模型，并运用CFD软件进行数值模拟与研究，通过
改变烟囱出口处的负压，得到系统的性能参数，如图1所示。

由图1可知，随着
烟囱出口处负压的逐渐增大，系统输出轴功率近似呈线性趋势逐渐增大，小时产水量也存在小幅上升。

WSSCPPCSD正是通过在烟囱出口处增加风压式通风装置形
成负压，从而提升系统的性能参数。

传统的风压式无动力自然通风装置[7]通常作
为房屋建筑的通风设备，但是其顶部一般呈封闭状态，这样会阻碍竖直方向气流的流动，因此不适合运用在太阳能烟囱中。

为此，本文提出了一种专门用于太阳能烟
囱的新型风压式无动力自然通风装置，并对该装置进行深入研究。

本文旨在建立应用于太阳能烟囱中的风压式通风装置物理模型，运用Fluent仿真
软件对该风压式通风装置进行三维非定常数值模拟，并对特定过流断面不同时刻速度场、压力场的流场特性进行研究，同时对叶片表面的压力分布以及叶片的转矩进行分析。

WSSCPPCSD的物理模型如图2所示。

风压式通风装置被安装在烟囱顶端，此处
风速较大，如果仅仅通过几个叶片的组合就能够充分利用这部分风能来改善系统性能，那么其性价比非常高。

风压式通风装置将通风机叶片和H型垂直轴风轮叶片[8]～[12]刚性地连接成一个整体并固定在主轴上，主轴和一端被固定在烟壁上的
支撑板通过轴承进行连接。

当气流带动H型垂直轴风轮叶片旋转时，通风机叶片
也会以相同的角速度进行旋转，该通风机叶片底部所产生的负压增大了系统的抽力，这使得涡轮机所吸收的压降逐渐增大，系统输出的轴功率也随之增大。

同时，当气流速度逐渐增大时，会引起气流和玻璃隔板之间的对流换热效率逐渐增大，集热棚内的热气流会带走更多的热量用于自身升温，导致玻璃隔板的温度逐渐下降，海水层和玻璃隔板之间的温度差逐渐增大，海水蒸发量逐渐上升，最终使得更多的水汽在玻璃隔板下侧冷凝成水滴，提高了淡水的产量。

在本文的模型中，环境风速以及旋转叶片的切向速度均较低，流动空气的马赫数小于0.3，因此可以将空气视为不可压缩流体，其三维非定常不可压缩的连续性方程和N-S方程分别为
式中：u→为速度矢量；p 为压强；ρ为流体密度；v 为运动粘性系数。

湍流模型选取RNG k-ε模型。

在风压式通风装置中，旋转的H型垂直轴风轮叶片会产生强烈的旋转效应，具有非定常流动特性。

当RNG模型经过频谱分析后，小尺度涡被略去，并将该小尺度涡的影响归并到涡粘度项，最终得到流动所需尺度的输送方程[13]。

由于本文中的湍流模型充分考虑了平均流动中的旋转流动以及旋流
流动，从而可以更好地处理流向弯曲程度较大的流动，因此本文中的湍流模型更能反映实际情况。

RNG k-ε湍流模型输送方程，如式（3），（4）所示。

式中：ρ为空气密度；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；为时均速度；αk，αε为k，ε 的反有效普朗特数，取αk=αε=1.39；μeff为亚格子有效粘性系数；Gk 为湍动能产生项；C1ε*，C2ε 为模型常数，取C2ε=1.68。

Gk，μeff和C1ε* 可分别表示为
式中：μt为湍流粘性系数；C1ε 为C1ε* 函数中的模型常数，取C1ε=1.42；β为热膨胀系数，取β=0.012；η0为η在均匀剪切流中的典型值，η0=4.377。

μt和η可分别表示为
式中：Cμ为经验常数，取Cμ=0.084 5；Eij为时均应变率。

Eij可表示为
由于文献[6]中太阳能烟囱电站的烟囱直径为10 m，因而本文所设计的风压式通风装置的风轮直径D=10 m。

为保证风轮高径比为0.5～3，风轮高度取15 m。

H
型垂直轴风轮叶片选用NACA 0012翼型，安装角为4°。

单级轴流式通风机叶片
选用CLARK Y翼型，并采用变环量的设计方法进行设计[14]。

整个计算域的范围
为4.5D×2.5D×2D。

前处理主要使用ICEM CFD软件进行三维建模和网格划分。

本文将模型分为3个
部分：内流域、外流域、旋转域，采用混合网格的方式进行划分，具体的网格划分情况如图3所示。

内流域采用结构化网格进行划分，网格总数为113.6万，最低
网格质量为0.7；外流域采用结构化网格进行划分，网格总数为235.2万，最低网格质量为0.7；旋转域由于自身结构比较复杂，因此采用非结构化网格进行划分，网格总数为286.8万，最低网格质量为0.3，叶片表面通过棱柱边界层进行网格加密。

固定域和旋转域之间采用交界面滑移网格进行连接，交界面处网格尺寸的比例为0.5～2，这样可以尽量减小离散误差。

多次改变模型整体的网格尺寸，可将计
算结果的误差控制在一定范围内，以满足网格无关性的要求。

数值模拟求解器为Fluent仿真软件，湍流模型选取RNG k-ε模型，求解方法采用压力速度耦合的SIMPLE算法，压力项采用PRESTO！离散格式进行加载，其余项均采用QUICK离散格式进行加载。

模型水平入口的边界设为速度进口，进口速度取15 m/s；旋转域底部进口设为压力进口，初始表压取0 Pa；模型水平出口及顶部出口边界设为压力出口，相对压力取0 Pa；底部外流域边界采用对称边界；交界面设置为interface；其余均采用无滑移壁面边界。

由于本文采用的风压式通风装置为无动力装置，H型垂直轴风轮叶片所产生的转矩全部用来带动通风机叶片旋转，因此必须先进行定常计算来确定平衡工况。

经过反复改变风轮的转速，并监控变量残差，最终确定当风轮转速为69.3 r/min时，H型垂直轴风轮叶片和通风机叶片的转矩基本达到平衡，此时H型垂直轴风轮叶片的转矩为3648 N·m，通风机叶片的转矩为-3627 N·m，模型底部进口的平均压力为-64.5 Pa。

若将SCPPCSD的烟囱出口负压改为-64.5 Pa，此时WSSCPPCSD涡轮机的轴功率比SCPPCSD提高了14.7 kW，小时淡水产量提高了40 g/h，系统太阳能综合利用率提高了30%。

虽然在风压式通风装置与太阳能烟囱发电系统耦合（即风压式通风装置负载）工况下，烟囱的出口负压低于64.5 Pa，但是可以通过加大风压式通风装置的高度，使得H型垂直轴风轮叶片转矩得到提升，从而带动通风机叶片以更大的角速度进行旋转，随着通风机叶片转速的逐渐增加，抽力随之增大，烟囱出口负压也会进一步加大，最终达到理想值。

在风压式通风装置中，流体的流动状态是随时变化的，该流动状态表现出极大的非定常特性，因此若要对其进行深入研究，就必须要进行非定常数值模拟。

风压式通风装置中H型垂直轴风轮叶片和通风机叶片转矩平衡时，二者的转速均为69.3 r/min，因此其旋转周期为0.866 s，本文所选取的时间步长为0.001 s，基于定常计算结果对其进行非定常计算，截取流场稳定后的时间段，并将风轮旋转的时间步
长变化转化为叶片方位角的变化，从而可以更加直观地分析计算结果。

H型垂直轴风轮中心截面在不同方位角Φ下的速度场，如图4所示。

由图4可知，从风轮前侧到风轮后侧流场速度梯度的变化较为明显，其流速逐渐减小，从风轮旋转区到下游区域会生成一个狭长的循环尾流区，尾流的循环周期为72°。

在风轮尾流区顺风向水平右侧（即图中右下方），流场的流速相对较小，这是因为在风轮顺风向水平右侧，风速方向和风轮旋转分速度方向相反，风轮的顺时针转动进一步阻碍了风的流动，从而导致流场的流速明显减小。

随着尾流逐渐远离风轮，尾涡逐渐脱落，最终导致尾流速度逐渐接近来流速度，这是因为环境风和尾流之间存在风速梯度，从而产生了附加切变湍流，导致环境气流与尾流发生能量转换并互相混合，随着混合区域的逐渐扩散，最终消除了环境气流和尾流之间的速度差异。

旋转域底部进口压力的分布情况，如图5所示。

由图5可知：迎风面处压力较大，该面上部分区域为正压区；背风面处压力较小，该面上大部分区域为负压区。

这是因为在风轮迎风面上，环境风受到风轮的阻挡，气流受阻并逐渐堆积，因此在该面上产生正压；而对于风轮背风面，由于受到通风机叶片的影响，产生了较大范围的负压区，尤其在通风机叶片的正下方，负压更为明显。

与风轮顺风向水平右侧的压力相比，风轮顺风向水平左侧通风机叶片正下方的压力相对较大，甚至和其周围气流的压力相等，这是因为风轮顺风向水平左侧的环境风和通风机叶片旋转方向的水平分速度方向相同，造成通风机叶片下表面和气流的相对速度逐渐减小，从而导致此处的压力相对较大；而风轮顺风方向水平右侧的通风机叶片则与之相反，其正下方压力相对较小。

在风轮迎风面上，H型垂直轴风轮叶片上表面所承受的压力较大，从而推动风轮持续转动；在风轮背风面上，H型垂直轴风轮叶片下表面所承
受的压力较大，这样会阻碍风轮的旋转，因此背风面风轮叶片的旋转是由迎风面的叶片所带动的，转动过程中叶片前缘附近的空气受到挤压，导致该处压力偏大。

虽然整个旋转域底部进口存在部分正压区，但是其压力的平均值仍为负值，该处所形
成的负压能够有效改善太阳能烟囱综合系统的性能。

图6为不同方位角下H型垂直轴风轮叶片表面压力的分布情况。

由图6可知，不
同方位角下，叶片表面的压力的分布情况存在较大的差别。

当方位角为90～270°时，叶片下表面的压力大于上表面的压力；当方位角为300～60°时，叶片上表面的压力大于下表面的压力，叶片表面压力呈周期性转变。

在叶片前缘附近，叶片上、下表面的压力差最大，叶片的升力主要来源于此处；在叶片尾缘附近，叶片上、下表面的压力差最小，在叶片尾缘上、下表面的压力差几乎为0。

这主要是因为H
型垂直轴风轮叶片翼型的后缘角较小，从而造成该处压力梯度变化不够明显。

图7为风压式通风装置中叶片转矩随方位角的变化情况。

由图7可知，单个叶片
的转矩随方位角呈周期性变化，转矩的最大值出现在330°方位角附近，为 11 360 N·m。

由图 6（l）可知，叶片上、下表面压力的总差值为最大值，这与上文相互
印证，正是由于此处存在的极大转矩，对其余叶片转矩过小甚至为负值的情况进行弥补，从而维持整个风轮的持续转动。

该叶片转矩的最小值出现在150 °方位角附近，为-3 634 N·m。

由图 6（f）也可以看出，叶片上、下表面压力总差值为负值。

值得注意的是，虽然在图6（i）中叶片前缘处下表面与上表面的压力差是所有方
位角中最大的，但是从叶片中部到尾缘，其下表面与上表面的压力差和图6（f）
相比相对较小，从而导致总的压力差的绝对值相对较小。

此外，当方位角为150°时，叶片升力对旋转中心的力臂大于方位角为240°时的力臂，所以150°方位角附近叶片转矩的绝对值较大。

整个H型垂直轴风轮叶片总转矩的变化周期为72°。

在第一个周期内总转矩最大
值出现在40°方位角附近，最小值出现在3°方位角附近，总转矩随方位角呈先大
幅增加后大幅减小的变化趋势，总转矩平均值和定常计算结果之间的误差不大。

通风机叶片总转矩在定常计算结果附近存在小幅度波动，通风机单个叶片转矩的变化也不大。

①风压式通风装置的流场较为复杂，该装置底部进口处虽然部分区域为正压区，但是该装置底部进口处压力的平均值始终为负值，该负压值能够极大地提高联合海水淡化太阳能烟囱电站的发电量以及淡水产量，从而提高该电站系统的太阳能综合利用率。

②H型垂直轴风轮叶片及通风机叶片的转矩呈周期性变化。

H型垂直轴风轮单个
叶片的转矩随方位角的变化而发生剧烈波动，在迎风面上叶片的大部分转矩为正值，在背风面上叶片的大部分转矩为负值，H型垂直轴风轮叶片的总转矩在一个周期
内呈现先大幅增大而后大幅减小的变化趋势，通风机叶片总转矩几乎恒定。

【相关文献】
[1] 王一平，王俊红，朱丽，等.太阳能烟囱发电和海水淡化综合系统的初步研究[J].太阳能学报，2006，27（7）：731-736.
[1] Wang Yiping，Wang Junhong，Zhu Li，et al.The study of sea desalination and hot wind electric power integrated system by solar chimney [J].Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27（7）：731-736.
[2] Lu Zuo，Yuan Zheng，Zhenjie Li，et al.Solar chimneys integrated with sea water desalination[J].Desalination，2011，276：207-213.
[3] Lu Zuo，Yue Yuan，Zhenjie Li，et al.Experimental research on solar chimneys integrated with seawater desalination under practicalweather condition[J].Desalination，2012，298：22-33.
[4] 左潞，郑源，沙玉俊，等.联合海水淡化的太阳能烟囱发电系统非稳态传热研究 [J].中国电机工
程学报，2010，30（32）：108-114.
[4] Zuo Lu，Zheng Yuan，Sha Yujun，et al.Unsteady state heat transfer of solar chimney power generation system associated with seawater desalination[J].Proceedings of the CSEE，2010，30（32）：108-114.
[5] 左潞，唐植懿，刘玉成，等.海水淡化太阳能烟囱联合发电系统热力性能数值模拟[J].热力发电，2016，45（1）：25-31.
[5] Zuo Lu，Tang Zhiyi，Liu Yucheng，et al.A preliminary study of turbine in solar chimney power generation system associated with seawater desalination[J].Thermal Power Generation，2016，45（1）：25-31.
[6] W Haaf，K Friedrich，G Mayr，et al.Solar chimneys，Part I：principle and construction
of the pilot plant in Manzanares[J].International Journal of Solar Energy，1983，2（1）：3-20.
[7] 霍廖然，于丽娜.无动力自然通风装置中国专利申请分析[J].制冷与空调，2013，13（10）：48-53.
[7] Huo Liaoran，Yu Lina.The analysis of Chinese patent applications on automatic wind catcher[J].Refrigeration and Air-Conditioning，2013，13（10）：48-53.
[8] 李岩.垂直轴风力机技术讲座（一）：垂直轴风力机及其发展概况[J].可再生能源，2009，27（1）：121-123.
[8] Li Yan.Vertical axis wind turbine technology lectures（one）： Vertical axis wind turbine and its development[J].Renewable Energy Resources，2009，27（1）：121-123.
[9] 李岩.垂直轴风力机技术讲座（三）：升力型垂直轴风力机[J].可再生能源，2009，27（3）：120-122.
[9] Li Yan.Vertical axis wind turbine technology lectures（three）：Lift vertical axis wind turbine[J].Renewable Energy Resources，2009，27（3）：120-122.
[10]高强，蔡新，舒超，等.叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究[J].可再生能源，2015，33（9）：1356-1361.
[10]Gao Qiang，Cai Xin，Shu Chao，et al.Research on aerodynamic characteristics for the stagger blade vertical axis wind turbine[J].Renewable Energy Resources，2015，33（9）：1356-1361.
[11]张立军，刘华，赵昕辉，等.垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法[J].可再生能源，2016，34（2）：232-237.
[11]Zhang Lijun，Liu Hua，Zhao Xinhui，et al.The method for wind turbine to vary angle of attack of asymmetric airfoil blade[J].Renewable Energy Resources，2016，34（2）：232-237.
[12]史亮，钱潇如，韩万金.采用动网格与滑移网格技术的垂直轴风力机启动性能计算[J].可再生能源，2016，34（10）：1509-1516.
[12]ShiLiang，Qian Xiaoru，Han Wanjin.The numerical simulation of VAWT starting performance using dynamic mesh and sliding mesh methods[J].Renewable Energy Resources，2016，34（10）：1509-1516.
[13]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.124-125.
[13]Wang putational Fluid Dynamics Analysis[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004.124-125.
[14]吴秉礼.轴流式通风机的工程设计方法[M].吉林：吉林大学出版社，2007.201-203.
[14]Wu Bingli.Engineering Design of Axial Fan[M].Jilin：Jilin University Press，2007.201-203.。