引言中国地域辽阔，拥有着丰富的太阳能资源[1]。目前，我国太阳能的研发和利用主要有4种方式：光热转化、光电转化、光能化学利用和光能生物利用[2]。对于光热转化，国内外已经进行了较多探索，1978年，Schlaich教授[3-4]首先提出了SCPPVC系统的初始模型，并于1982年在距西班牙马德里150 km的曼萨纳尔建造了第一座太阳能实验电站，时至今日仍在运行[5]。1983年，Krisst[6]在美国的康涅狄格州建造了“后院式”的发电设备。在国内，杨家宽博士[7]于2003年建设了中国第一套立式太阳能热气流发电系统，并对其进行了整体试验和模拟分析。根据科学家的研究及探索，发现空气涡轮机是SCPPVC系统中最重要的部分。国内外的学者通过数值模拟和试验分析的方法，对空气涡轮机的安装位置、转化效率等方面做了深入的研究，并取得一定成效[8-10]。Denantes[11]、张远森[12]等根据对向心涡轮机，轴流涡轮机的分析，设计出新型涡轮机，并对不同布置方案下SCPPVC系统中空气涡轮机的性能进行了分析。2010年周艳[13]等提出了新型的立式集热板太阳能热气流发电系统。2016年，高彬基于Wilson理论对SCPPVC系统中的空气涡轮机进行了设计优化，提高了系统的输出功率。虽然国内外学者对于SCPPVC已经进行了较多的研究，并取得了一些极其重要且具有实际应用价值的研究成果，但该系统中空气涡轮机的叶片设计尚有待完善，其能量转换效率仍有可进一步的提升空间。因此，为提高SCPPVC系统中空气涡轮机的能量转换效率，文中通过Wilson理论设计新翼型空气涡轮机，并对其性能进行数值模拟分析。1空气涡轮机新翼型设计叶片在空气涡轮机的能量转换过程中是一个至关重要的部件，叶片的半径、弦长和翼型对其气动性能有很大影响，进而对叶轮的输出功率也产生一定的影响，因此涡轮机整体的功率特性和载荷特性往往由其翼型的设计所决定。通过Profili软件进行检索及计算分析发现，常见的翼型有NACA63-215和翼型SD8000。通过数值仿真的方法获得两种翼型的压力云图，如图1和图2所示。由图1和图2可知，翼型NACA63-215上表面所受到的负压较大且受压居中均匀，SD8000所受压力靠近翼型前缘且翼型绕流不均匀；但SD8000下表面受压更平缓且平均压力较大。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F001图1翼型NACA63-215的压力云图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F002图2翼型SD8000的压力云图而翼型NACA63-215和翼型SD8000的前后缘坐标可以基本吻合，数据误差小于3%，故选择NACA63-215的上轮廓及翼型SD8000下轮廓来合成新翼型，如图3和图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F003图3三种翼型的外轮廓10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F004图4合成的新翼型外轮廓图2空气涡轮机叶片设计2.1叶片设计基本参数叶片设计的基本参数为：风速5 m/s、温度30 ℃，采用翼型NACA63-215、翼型SD8000和新翼型，叶片数从3、4、5、6中选择，叶尖速比为3，叶片半径为0.2 m。2.2叶片模型建立采用Wilson模型设计SCPPVC系统中空气涡轮机叶片，这主要是因为Wilson模型涵盖了贝兹理论、动量理论、涡流理论和叶素理论各自的优点，同时也弥补了这4种理论的不足之处。基于Wilson理论来建立空气涡轮机的模型，主要任务是计算弦长C和扭角α。这首先要通过Matlab进行迭代计算，分别求出轴向诱导因子a和周向诱导因子b，然后根据式(1)、式(2)计算弦长和扭角并修正。BCClr=8πaF(1-aF)(1-a)2sin2icosi (1)α=arc1-a(1+b)λ-i (2)式中：B ——叶片数目，个；C ——弦长，m；Cl——升力系数；r ——叶素半径，m；i ——入流角，°；F ——损失系数。在综合考虑损失及工作状况下，提出新的设计模型：dCpdλ=-8λ02b(1-a)Rλ3 (3)b(1+b)λ2=a(1-aR) (4)式中：Cp——风能利用系数；λ——叶尖速比；R ——阻力修正系数。2.3叶片三维建模根据已求得的弦长和扭角的值计算三维空间坐标并保存为txt格式的文本文档，进而将所求的三维坐标导入Solidworks软件中进行建模，得到各叶素的三维图，如图5所示。经过叶素成面处理、放样及圆周阵列等步骤，建立空气涡轮机叶片三维模型，如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F005图5叶素翼型图10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F006图6叶片三维立体图3空气涡轮机叶片数值模拟以SST k-ω湍流模型和MRF旋转模型为基础对空气涡轮机进行数值模拟。3.1网格模型3.1.1网格划分通过SolidWorks软件绘制3D叶片模型，然后将绘制的模型导入Gambit软件中以生成网格。选择内部旋转区域的外壁作为基准，并且可以以1.2的比率将网格尺寸逐渐扩大到100，从而划分四面体和六面体相互的网格。3.1.2网格无关性验证当进风速度为5 m/s时，分析计算5种不同网格数下的功率，网格独立性如图7所示。由图7可知，后两组网格的计算偏差小于1%，因此选择第4组网格作为数值计算网格，其网格数为2 876 585。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F007图7网格的独立性3.2单值性条件设置（1）把Gambit软件网格划分所生成的涡轮机流场文件导入Fluent软件中进行分析计算；（2）改变长度，使其符合实际尺寸；（3）选择求解器，采用基于压力形式的稳态和瞬态求解器；（4）选择SST k-ω湍流模型；（5）添加流体材料为air；（6）设置边界条件，定义入口速度大小、出口速度和旋转域；（7）压力-速度耦合用Simplec算法，离散压力用Presto，离散格式用二阶迎风格式，这样可以提高模拟的精度；（8）初始化流场，选择速度入口为初始化对象。4数值模拟结果分析4.1不同翼型下功率的模拟分析叶片的迎风受力面积大小，主要受翼型的种类以及叶片数目的影响[14]，而受力面积的大小又直接决定空气涡轮机的输出功率，所以翼型的种类及叶片数目间接决定着涡轮机的功率。风速为5 m/s时，模拟所得各翼型不同叶片数目所对应的转矩值，如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.T001表1各翼型不同叶片数目所对应的转矩值转矩/（N⋅m）叶片数目3456新翼型0.033 460.032 270.034 520.036 39NACA63-2150.030 810.029 920.033 460.034 17SD80000.028 430.027 460.030 180.032 13空气涡轮机功率计算如下：P=T⋅n9 550×1 000 (5)式中：P——输出功率，W；T——涡轮机转矩，N·m；n——涡轮机转速，r/min。由于计算过程采用的转速为75 rad/s，1 r/min=60 r/s，所以n取716。根据表1，以及空气涡轮机功率的计算式（5），可以计算出空气涡轮机的功率，结果如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F008图8各翼型不同叶片数目的功率通过分析以上模拟数据以及计算结果可知，叶片数目相同的情况下，新翼型的功率都是最大的；且在叶片数目为6时，空气涡轮机的输出功率最大值约为2.72 W。由于输入系统的能量是一不变量，所以新翼型空气涡轮机的能量转换效率是最高的。4.2不同风速下功率的模拟分析由于新翼型叶片在数目相同情况下的功率是最大的，所以仅针对新翼型做进一步数值模拟分析，得到在不同风速下不同叶片数目所对应的输出功率，如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F009图9新翼型不同风速下不同叶片数目的输出功率从图9中可以看出，使用新翼型空气涡轮机的输出功率随着风速的增加先增大后减小，而且风速为5 m/s时，空气涡轮机的输出功率最大。在风速为5 m/s的条件下，叶片数为6时，空气涡轮机的输出功率最大，即能量转换效率最高。4.3不同尖速比下功率的模拟分析采用相同的数值模拟的方法，对6叶片的空气涡轮机在不同尖速比下的输出功率进行了模拟计算，各翼型在不同尖速比下的功率如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.007.F010图10各翼型在不同尖速比下的功率图由图10可知，新翼型的空气涡轮机的输出功率随尖速比的增加先增加后减小。因此，风力机叶片的尖速比不是越大越好。在文中研究的条件下，当风速为5 m/s，尖速比等于2，叶片数为6时，空气涡轮机的输出功率达到最大值3.1 W。相较于使用NACA63-215和SD8000叶片的空气涡轮机功率，空气涡轮机的输出功率分别提高了21.1%及29.2%，能量转换效率达到最大值。5结语通过对现有叶片翼型的筛选分析，设计了SCPPVC系统空气涡轮机的新翼型，与翼型NACA63-215和翼型SD8000相比，通过数值模拟分析，得到如下结论：（1）在叶片数目相同的条件下，新翼型空气涡轮机具有最大的输出功率；（2）在风速为5 m/s的条件下，叶片数目为6时，新翼型空气涡轮机输出功率最大为2.72 W；（3）在叶片为6，尖速比为2时，新翼型涡轮机达到最大功率3.1 W。