甄琦 麻一博 李明 张泽宇 王钰琪
内蒙古农业大学能源与交通工程学院
摘 要：针对高速公路车辆产生的风能未得到合理利用的现象，以普通直板型高速公路防眩板为研究对象，设计工况下以高速公路防眩板获得的最佳聚风性能为优化目标，通过CFD数值模拟了高速公路防眩板不同横向断面形状其聚风性能效果，从而寻找出具有最佳聚风性能的高速公路防眩板结构。计算结果显示：针对不同的6种聚风能高速公路防眩板模型均具有聚风功能；聚风能防眩板设置的增压板对模型内部流速有新的影响，有助于提升装置性能；模型Ⅲ(双层防眩板呈20°角摆放的情况下加装增压板)可有效地将风能增大约1.96倍，在6种模型中所具有的聚风性能最佳。揭示了聚风能高速公路防眩板不同结构与模型内流场的联系，为聚风能高速公路防眩板进一步优化设计提供了一定的理论依据。
关键词：高速公路防眩板;聚风能;数值模拟;流场特性;设计优化;
基金：内蒙古自治区大学生创新创业训练项目,项目编号202310129005;内蒙古自然科学基金博士基金项目,项目编号2015BS0513;
在高速公路上行驶的车辆会对中心居家带附近产生较大的风能，若能将风力发电机安装在高速公路居家带上，使这些能量转化为电能，为高速公路设备供电，可产生良好的经济效益。为了更好地捕获这些风能，需加装能够风能集聚的装置。将该装置安装在高速公路居家带上，既要考虑其需具有良好的聚风性能，又要兼具居家带防眩板的防眩效果[1],因此设计出了一种聚风能型的高速公路防眩板。
聚风能高速公路防眩板是聚风能装置的核心部件，其设计的优劣影响风电机组的输出功率和稳定性。近年来，为提升聚风能型风电机组的输出功率，众多科研人员对聚风能装置进行了研究。Raj等提出多个水平轴风力发电机扩散器按照规律摆放在垂直轴风力发电机四周，利用模拟计算研究，得出在任何条件下主扩散器的输出速度会突然增加的结论[2]。Riyanto等研究了在水平轴风力发电机上使用扩散器，进行风洞实验，结果表明带入口导流罩的扩散器可以将功率提高到41.1%[3]。田德等提出应用数值模拟方法对浓缩风能装置内部流场进行仿真分析，得到了扩散角对浓缩风能装置内部流场特性的影响比收缩角、2023圆筒长度的影响大的规律[4]。姬忠涛等采用CFD软件对浓缩风能装置进行结构优化，分析结果表明，锥形管母线长度为0.4
D
时，偏转角为50°时的优化模型为较优模型[5]。程阳林结合数值仿真分析了收缩-扩张型聚风加速装置对低风速的汇聚加速特性，得到扩张结构角度在15°时，可将来流风提速16%[6]。
本研究先以普通直板型高速公路防眩板为研究对象，依据地方标准和参考文献设计出不同横向断面形状的聚风能高速公路防眩板模型；采用相同风速作用聚风能高速公路防眩板模型，研究其内部流体流动；通过CFD方法模拟分析聚风能高速公路防眩板模型聚风性能，从而寻找出具有最佳聚风性能的高速公路防眩板结构。使用计算流体力学软件分析聚风能高速公路防眩板模型的前端表面压力、周围流场和轴向速度变化规律，揭示聚风能高速公路防眩板模型的内部原理，从而为聚风能高速公路防眩板进一步优化设计提供一定的理论依据。
1 模型设计
依据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2017),以及聚风能模型原理进行初步设计[7,8,9,10],保证不丧失防眩光功能且具有聚风性能。因此，模型Ⅰ采用4块玻璃钢材质普通直板型防眩板对角放置，组成正方形结构。主要结构参数如图1所示。根据文献[11]得到的当扩散器半开角在20°时，聚风性能会大幅增加，故将模型Ⅱ设计为双层防眩板20°夹角放置。根据文献[12]得到的带有增压板的聚风能装置具有更好的聚风加速和减轻风切变作用，因此模型Ⅲ在模型Ⅱ基础上添加增压板，并进行封盖处理。
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图1 模型Ⅰ结构示意 下载原图
根据文献[13]得到的带曲面型扩散器的风机的效率更高，所以分别设计出3种模型，模型Ⅳ将防眩板设计为曲面，偏转10°与直板型增压板相连；模型Ⅴ将增压板设计为曲面，偏转10°与直板型防眩板相连；以及模型Ⅵ将增压板与防眩板都设置为曲面，整体为平滑曲面，偏转10°。所有模型与风轮的位置都相同，改变的只有断面结构与形状。6种模型参数如表1所示。俯视图如图2所示。
2 模拟计算
2.1几何模型
所设计的6种聚风能高速公路防眩板几何模型如图3所示。
2.2网格
为减少计算域边界对模拟结果的影响，建立长8 m、宽5 m、高5 m的长方形计算域，计算域的长度和横截面积是聚风能模型长度的8倍、最大横截面积的19.23倍，对设计出的6种聚风能高速公路防眩板模型进行数值模拟，考虑到模型壁面的边界层效应，故采用适应性较强的非结构网格-四面体网格，选择模型设置大小为5 mm的面网格、200 mm的体网格，为提高数值模拟的精度，对局部表面网格和装置周围网格进行适当加密处理。通过表2对比分析不同网格数量对计算域出口平均风速和最大风速的影响，网格数大于300万时，出口平均风速和最大风速的误差小于0.05%,因此6种模型计算域网格数均在380万左右，满足网格无关性条件。
表1 模型参数 导出到EXCEL
模型
装置高度mm装置高度mm
装置边长mm装置边长mm
防眩板厚度mm防眩板厚度mm
防眩板长mm防眩板长mm
防眩板结构
增压板长度mm增压板长度mm
弯曲角度(°)弯曲角度(°)
模型Ⅰ
1 300
1 000
3
448
对角放置
无
无
模型Ⅱ
1 300
1 000
3
448
双层互20°
无
无
模型Ⅲ
1 300
1 000
3
448
双层互20°
106
无
模型Ⅳ
1 300
1 000
3
弯曲
双层
106
10
模型Ⅴ
1 300
1 000
3
448
双层
弯曲
10
模型Ⅵ
1 300
1 000
3
弯曲
双层
弯曲
10
图2 模型俯视 下载原图
图3 几何模型 下载原图
表2 网格无关性验证 导出到EXCEL
网格数量万网格数量万
出口平均风速m/s出口平均风速m/s
误差%误差%
出口最大风速m/s出口最大风速m/s
误差%误差%
95.56
10.002
10.112
115.66
9.998 2
0.04
10.119
0.07
141.84
9.999
0.01
10.121
0.02
177.77
10.001
0.02
10.124
0.03
227.75
9.999 3
0.02
10.126
0.02
299.83
9.997 4
0.02
10.132
0.06
407.57
10.001
0.04
10.136
0.04
575.62
9.999 5
0.01
10.140
0.04
2.3控制方程
本研究内容采用CFD方法，由于所研究问题可以简化为非传热稳态不可压缩流体问题，基于物理模型的简化，基本控制方程简化如下[14,15,16,17]。
连续性方程：
∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0 (1)∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0 (1)
式中：
u
v
w
分别为
x
y
z
方向上的流体流速分量，m/s。
N-S方程：
∂(ρu)∂t+div(ρuu⃗ )=−∂P∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z+Fx (2)∂(ρu)∂t+div(ρuu→)=-∂Ρ∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τzx∂z+Fx (2)
∂(ρv)∂t+div(ρvu⃗ )=−∂P∂y+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z+Fy (3)∂(ρv)∂t+div(ρvu→)=-∂Ρ∂y+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z+Fy (3)
∂(ρw)∂t+div(ρwu⃗ )=−∂P∂z+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z+Fz (4)∂(ρw)∂t+div(ρwu→)=-∂Ρ∂z+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z+Fz (4)
式中：div为散度；
P
为微元体上的压力；
为微元体表面上的黏性应力，下标表示黏性应力分量；
Fx
Fy
Fz
分别为微元体的体力分量。
输运方程：
dN⃗ dt=∂∂t∭CVη⃗ ρdV+∬CSη⃗ ρvndA (5)dΝ→dt=∂∂t∭CVη→ρdV+∬CSη→ρvndA (5)
式中：η⃗ η→为
t
时刻单位质量流体所具有的动量、质量等；
CV
表示控制体的体积；
CS
表示控制面的面积；N⃗ =∭Vη⃗ ρdVΝ→=∭Vη→ρdV为物理量的总量。
2.4初始和边界条件设置
采用数值模拟软件进行模拟求解，建立的长方体为流体计算域，选择流体介质为空气。计算模型选用SST k-ω
模型，该模型系数采用默认值，并打开能量方程。使用SIMPLE算法来耦合流体的压力-速度，松弛因子采用默认值，速度、湍流能耗散率、湍流能均采用二阶迎风算法。入口边界设置为速度-入口，相对压力0 Pa, 入口风速设置为10 m/s, 温度设置为296.75 K,其余设置保持默认；出口边界采用压力-出口，其余采用默认值。计算域的其他边界和聚风能高速公路防眩板模型表面均选用无滑移的默认壁面条件。当各计算残差值小于10-3时，本文认为计算收敛。
3 结果分析
通过CFD数值计算，将模拟计算后的聚风能高速公路防眩板模型数据进行处理，对比分析6种聚风能高速公路防眩板模型的聚风性能和所受压力的位置和大小。通过后处理软件将所得到的流域沿聚风能高速公路防眩板模型水平轴线划分，得到压力云图和内部流场2023断面的流体速度矢量云图。
3.1装置压力分布
图4给出了6种聚风能高速公路防眩板模型的压力云图。从图中可以看出，当模型在进行聚风能时，压力集中于模型前端，对于改进后的模型，压力集中于增压板和收缩管的交界处。因而模型整体放置在真实环境下时，不仅需要考虑根部应力的强度，加强模型根部的厚度或者材料强度，还需在模型前端进行加固处理，防止聚风能高速公路防眩板折损。
图4 相同模拟条件下模型表面压力分布的云图 下载原图
3.2装置周围流场分析
图5为6种聚风能高速公路防眩板模型的流速云图和流线图。对聚风能高速公路防眩板模型和在同一流场条件下的模型流线图进行对比分析可以看出，6种模型都具有一定的聚风能功能，空气在模型Ⅲ和模型Ⅳ装置的收缩管内部，没有因出现气流旋涡而损失具有的动能，而是在增压板和收缩管的接口处形成了明显的蓝色驻点，流经驻点的空气流体分别向驻点内外两侧流动，有利于增大风速。
图5 相同模拟条件下的速度云图和流线图 下载原图
3.3模型前端表面压力系数的对比分析
由6种聚风能高速公路防眩板模型前端表面压力分布对比曲线图6可以看出，模型Ⅰ～模型Ⅵ外缘承受的压力在60 Pa上下波动，且集中在模型前端外缘中部，而且模型Ⅴ所承受的平均压力较小，模型Ⅳ和模型Ⅵ前端中部所承受的压力较大，不适用于平均风速较大的区域。
图6 6种装置表面压力分布对比曲线 下载原图
3.4模型轴向速度变化对比分析
利用后处理软件将模拟计算出的轴向流速数据处理绘制成折点图和散点图，如图7、图8。
图7 6种模型轴向速度变化对比曲线 下载原图
通过流速折线图7和散点图8可以分析验证出6种聚风能高速公路防眩板模型的聚风性能，模型可将10 m/s速度的自然风整流成12 m/s左右的较强风，由轴向提取出的最大流速点可以看到，模型Ⅰ的最大流速为11.95 m/s、模型Ⅱ的最大流速为12.28 m/s、模型Ⅲ的最大流速为12.52 m/s、模型Ⅳ的最大流速为12.44 m/s、模型Ⅴ的最大流速为12.43 m/s、模型Ⅵ的最大流速为12.27 m/s, 按照聚风能理论可以计算具体的增大倍数，可得模型Ⅲ的聚风性能较好，最大风速可达到12.52 m/s, 可将风能增大约1.96倍。
图8 6种模型最大内部流场速度 下载原图
4 结语
(1)对聚风能高速公路防眩板模型的轴向断面形状设计和优化，设计出6种都具有聚风功能的不同轴向断面形状的装置模型，分别为防眩板对角放置、呈20°角放置、20°角情况下加装增压板、防眩板设置为曲面、增压板设置为曲面、整个模型全部为曲面。
(2)通过模拟研究，证实了增压板可在模型内部形成流体驻点，使内部流速进一步增加，有助于提升模型性能。
(3)从优化结果来看，模型Ⅲ(双层防眩板呈20°角摆放的情况下加装增压板)的模型结构在6种模型中流场性能最佳，沿
X
轴方向最大流速为12.52 m/s, 可将风能增大约1.96倍。
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