基于CFX的风机阵模拟甘蔗田间边界层风速研究

郭无极，袁俊杰

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

0 引言

广西是我国甘蔗主要种植地区之一。广西位于沿海地区，台风、季风高发，甘蔗的倒伏和弯曲现象严重[1]。近年来，针对甘蔗倒伏动力学的研究一直在进行。在研究的过程中，由于甘蔗田间条件简陋、台风来临时气候条件恶劣、台风登陆周期不确定以及台风作用时间短暂等一些列条件的束缚与限制，使得甘蔗受风倒伏的实验难以进行。对于甘蔗倒伏的动力学机理研究也大多处于数值模拟阶段，研究所得规律亦难以通过实地实验得以验证。本文拟采用风机阵的方法对甘蔗田间的风速进行模拟，为甘蔗倒伏的动力学机理研究提供试验平台。

通过风机阵模拟风场的方法在海洋工程结构抗风能力检测中有较为广泛的应用[2，3]，伯明翰大学也将其引入了小麦的抗风倒伏研究中[4]。本文将首先利用流体仿真软件CFX对单风机风场进行模拟，再通过物理试验的方法对仿真结果进行验证，最后通过两种不同排布的风机阵对边界层风速进行模拟并进行对比分析。

1 单风机建模与风场仿真

1.1 风机的几何模型

本文拟选用CTF-50型防油防潮轴流式通风机进行研究。其额定功率为1100W，额定电压为220 V，频率50 Hz，额定转速1 450 rpm.对风机进行拆分测量，经由CREO软件进行几何建模。如图1所示，（a）为风机实体，（b）为 CREO 所建几何模型，（c）叶轮实体，（d）为简化后的叶轮几何模型。

图1 轴流风机几何模型

1.2 单风机风场的仿真

首先通过ICEM CFD对模型进行网格划分，将轴流风机划分为包含叶轮在内的旋转域，与非旋转域两个部分，但在数值模拟不能仅模拟这两个区域，因为此部分的进风口和出风口的流动是很不稳定的，这样就很难给定进出口边界条件，而一个准确的边界条件对计算结果有着重要的影响。为了准确给定边界条件，在进风口和出风口分别加一段计算域[5]。因而网格共包含扩充进风域、旋转域、非旋转域、扩充出风域共4个部分。旋转域网格及总体计算域网格如图2所示。

图2 计算域网格

将模型导入CFX进行稳态计算。对旋转域采用动参考系模型（Moving Reference Frame），即把旋转域的参考系设为转动坐标。但此处的转动并不是物理位置上的转动，此时求解的仅仅是转动的某一瞬间的情况，这样就把一个非稳态的问题转化为一个稳态问题来求解，从而减少计算量。设置扩充进风域的入口为压力入口，扩充出风域为open边界，地面为wall边界，选用SST湍流模型，旋转域转速设为1 450 rpm进行计算。使用tecplot对仿真数据处理得到轴向垂直切面上Z方向速度云面如图3所示。

图3 Z方向速度云面

截取取距离轴流风机出风口3 m位置，做Z方向速度等速线图，如图4所示。

图4 测风面风速云图

2 单风机仿真模型验证

对轴流风机实际工作状态下的流场风速进行测量。测量仪器包括：数字测风仪5个（深圳市聚茂源科技有限公司GM8902）以及一个自制钢制测风架（由底座和竖直杆组成，在竖直杆下方往上每间隔20 cm放置一个测风仪，共放置5个测风仪，并调节中间的测风仪至风机轴线位于同一高度）。测风架的测量位置选择在平行于风口所在平面且距离平面1 m、2 m、3 m的三条直线上，每条直线以轴流风机轴线位置为中点，分别向左右各取距离中点0.2 m、0.4 m的两点，这样每个平面可以测量25点的风速（如图5所示）。

（接上图）

图5 风速测量方法

在风机正常工作状态下，每个测风点以1 Hz的频率测量风速1 min，取60个风速值的均值作为该点风速的参考值。

将仿真结果中3个平面的测风点速度导出，与实际测量值进行比对，并计算误差。表1为距离出风口3 m的平面中Z方向测风点实际风速与仿真所得风速。

表1 3m处Z方向风速

对比可知仿真所得风速与实际风速非常接近，考虑到风机制造误差和试验过程中电压不稳等因素的影响，数值模拟值与实测值之间产生一定误差在所难免。计算得平均误差为9.83%＜10%，此模型可用。

3 两种不同排布的风机阵模拟边界层风速

本文旨在探究模拟台风来临时甘蔗田间的风速的方法。蔗田多位于乡村开阔地面以及低层建筑稀少的地区，蔗田高度约在2.5 m～3 m之间，位于大气边界层底层，其风速随高度的变化曲线一般可用指数函数表示，2016年广西大学黄深闯等人通过对甘蔗田间风速的实地测量证实了这一点[6]。边界层风速随距离地面高度的增加而增大，可以通过指数率表示为：

其中zb与为标准参考高度及标准参考高度处的平均风速；z与为任意高度及任意高度处平均风速；α为地面粗糙指数，在田野、丛林中取为0.15.

参考文献[2-4，7]可知，目前常见的风机阵风机的排布大致可分为平行排布与交叉排布两种。风场需覆盖单根甘蔗，即水平宽度应大于1.5 m，竖直高度应大于2.5 m.设计两种排布方式如图6所示。

图6 风机阵风机排布

针对上述两种方案进行建模仿真，得到3 m处风速如图7所示。由图可知，平行排布风机阵在3 m处所得最大风速为6.32 m/s，有效风场宽2 m，高3 m；交错排布风机阵在3 m处所得最大风速为6.42 m/s，有效风场宽1.8 m，高2.8 m.两周排布的有效风场面积均能覆盖一根甘蔗，平行排布较交错排布有效风场面积略大。

图7 风速云图

两种风机阵排布所得风场伴随高度增加速度均呈现出明显梯度，取3 m处X=0直线上风速与指数率对应风速进行比较如图8所示。两种排布在转速为1 450 rpm时均能较好的模拟4级风的近地面风场。通过改变转速应能模拟其他风力等级的近地面风场。

图8 风速曲线

相较平行排布风机阵，交错排布在同样满足要求的前提下可以少使用两个风机，能够较好的节约成本。

4 结论

本文首先基于CFX软件研究了单个轴流风机风场的模拟方法，并通过物理试验对该方法进行了验证。再使用此种方法对两种不同排布方式的风机阵进行了仿真。分析对比可知，这两种方法都可以较好的模拟出近地面满足指数率的风场，比较而言交错排布更为节能环保。