新型卡门涡街发电机可行性及结构优化的数值模拟论文文章教学讲义.doc

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新型卡门涡街发电机可行性及结构优化的数值模拟
0、引言
当（当去掉）稳定流动中放入一个阻流体后，就（就去掉）会在阻流体后产生一个交替脱落的漩涡，这种现象称为卡门涡街。雷诺数在很大范围内变化时都会出现这种现象。从工程角度来说，卡门涡街的出现会导致桥梁、塔架、烟囱等建筑物的破坏，在设计时需要计算漩涡脱落的特性以便得到最优的结构设计[1]。从能源角度来说，卡门涡街的产生会导致压力和速度的周期性变化，人们利用这点研究出了利用涡街尾流的发电机，比如谐振型风力压电发电机。
Sanchez-Sanz[2]论证了在小棱柱后边的尾流中利用周期性作用力发电的可行性。目前国内外学者对卡门涡街发电机的研究主要集中在利用压电薄膜和悬臂横梁方面。Taylor[3]设计了一个利用鳍形的压电聚合物来将流动的动能转换为电能的装置。他在一个有波浪的水塘里研究了这个装置的性能，并且对装置进行了优化设计。Akaydin[4]研究（把研究改为探索）了利用压电悬臂横梁从圆柱绕流的尾流中获取电能的方法。SaiweiLi[5]（利用）在涡街中放入一个一端固定、一端自由摆动的叶片，利用（把利用去掉）叶片上下表面压力差带动叶片摆动的方法研究了一个新型的发电机。文晟[6]利用亥姆赫兹谐振腔和压电复合薄圆板设计（把设计改为发明）了小型的风力压电俘能器。
虽然（虽然去掉）对卡门涡街发电的研究（虽然）已经取得了一定的成果，但是大家使用的阻流体（是）各种（把种改成式）各样，很少有学者研究哪（一）种阻流体对这种发电方式是最佳的。本文首先提出一种新型的卡门涡街发电机，之后（之后改成然后）选择比较常用的四种阻流体分别使用Fluent进行数值模拟，通过对阻流体后涡街的分析来（来去掉）得出（最适合卡门涡机发电方式的阻流体）哪一种阻流体对于卡门涡街发电方式是最佳的（去掉）。在此基础上改变阻流体和管道的尺寸比以及旋转轴放置的位置，对所研究的发电机结构进行优化设计（去掉）。
1、发电机模型
本文所研究的卡门涡街发电机结构如图1所示，风从管道的入口进入，经过阻流体然后在尾流中形成卡门涡街。将（把将改成把）一个由线圈做成的平板通过旋转轴放置在管道中间。旋涡的周期性脱落就会产生一个作用在线圈平板上的周期性作用力，这个作用力（会）使线圈平板做切割磁感线运动发电。

图1卡门涡街发电机结构简图
2、基本理论
旋涡从阻流体上脱落的频率可以用St数来表示，如下式
(1)
其中，f为旋涡脱落频率，d为特征长度，u为进口速度。
在模拟之前，首先要确定流动是湍流还是层流。流动的类型通过雷诺数的大小来确定，用下式计算。
(2)
其中，ρ=1.225kg/m3，μ=1.798×10-5kg/m.s。

3、数值计算方法
3.1模型建立及网格划分
本文采用的计算域为一个长0.5m，宽0.1m的矩形区域，阻流体分别为梯形、圆形、三角形和正方形。本文以水平方向为X方向，垂直方向为Y方向。记阻流体的特征长度d与管道的高度D的比值为尺寸比率，用R表示，即R=d/D。文献[7]指出，对称结构的阻流体形成的卡门涡街可以得到更大的压力波动，因此本文所研究的阻流体均为对称的。模型建立和网格的划分采用GAMBIT进行。网格划分采用结构化四边形网格。以三角形为例的计算域示意图如图2所示。

图2计算域示意图

图3计算域网格划分
图3是以三角形为例的计算域网格划分示意图，为保证网格的质量，对整个计算域采用分区划分的方法。对阻流体四周以及旋涡主要存在的中间区域进行局部加密处理，对其它部分则采用相对稀疏的结构网格。为了保证计算的可靠性，初次将计算域划分为17725个网格，之后对网格进一步加密，两次计算得到的st数基本一致，说明初次划分的网格数量已经满足计算需要。
2.2条件设置
本文计算采用非稳态计算，结合文献[8,9]，流动模型选择湍流模型中的RNGk-ε模型，选择空气作为计算的材料。选择速度入口和流动出口作为边界条件。其中速度入口给定进口速度，本文取5m/s，7m/s，10m/s，13m/s，15m/s，17m/s作为进口速度。湍流参数选择湍动能k和湍动耗散率ε，其计算方法参考文献[8]的公式。选取计算域的出口压力作为压力参考值。压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法以提高迭代过程中解的收敛速度，对流和扩散通量采用QUICK格式。经过反复试验，发现时间步长为脱落周期的1/100及以下时出现的涡街效果更好，本文最终确定时间步长为0.00002s。
3模拟结果及分析
3.1速度云图和波动曲线分析及脱落频率计算
图4为阻流体为三角形，R=0.2，进口速度为5m/s运动稳定时的瞬时速度云图。从图中可以看出旋涡在经过阻流体后分离，之后（之后去掉）沿着流动方向运动，随着旋涡位置的向后移动，前后两对旋涡之间的间距保持不变，旋涡变得