NREL Phase VI葉片繞流場(chǎng)的氣動(dòng)特性研究

胡 宇

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NREL Phase VI葉片繞流場(chǎng)的氣動(dòng)特性研究

胡 宇1,2

（1. 重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 重慶 402160；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京100038）

流動(dòng)分離甚至失速是風(fēng)力機(jī)葉片繞流的重要特征之一，可以通過(guò)改變?nèi)~片槳距角來(lái)降低葉片在大風(fēng)速時(shí)的氣流攻角，從而促使葉片氣動(dòng)性能參數(shù)下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片輸出功率的有效控制。首先研究了失速型風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性。并進(jìn)一步對(duì)NREL Phase VI葉片的繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)相關(guān)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如葉片轉(zhuǎn)矩、彎矩以及截面氣動(dòng)特性等進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明我們所用的方法具有高度可靠性。

風(fēng)力機(jī)；葉片動(dòng)力學(xué)；氣體動(dòng)力學(xué)

0 前言

隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，新型的變槳距型水平軸風(fēng)力機(jī)正逐步取代失速型風(fēng)力機(jī)的統(tǒng)治地位。變槳距型風(fēng)力機(jī)可以根據(jù)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的變化及時(shí)調(diào)整葉片槳距角，使葉片在較大的風(fēng)速范圍內(nèi)保持穩(wěn)定且有較高的輸出功率和運(yùn)行效率。變槳距型風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，但同時(shí)也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、系統(tǒng)可靠性相對(duì)較低等缺點(diǎn)[1]。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)曾在 2001年就其N(xiāo)REL Phase VI風(fēng)機(jī)葉片模型組織了一次盲比計(jì)算試驗(yàn)，以檢驗(yàn)當(dāng)時(shí)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)流行的各種數(shù)值計(jì)算方法(包括采用動(dòng)量-葉素理論、渦尾跡方法以及CFD方法等)的可靠性[2,3]。從NREL公布的盲比計(jì)算結(jié)果來(lái)看，總體上數(shù)值計(jì)算方法的可靠性比較差，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的誤差比較大。例如在大風(fēng)速條件下，計(jì)算預(yù)測(cè)的風(fēng)機(jī)功率誤差范圍為－70%~175%，即使在無(wú)偏航、定常及無(wú)失速的低風(fēng)速工況中，計(jì)算預(yù)測(cè)值的誤差范圍也達(dá)到－75%~75%[2]。由此可見(jiàn)，關(guān)于流動(dòng)分離的數(shù)值模擬研究在風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)中仍是一個(gè)難點(diǎn)。在NREL的盲比試驗(yàn)中，相對(duì)于其他各種數(shù)值方法來(lái)說(shuō)，基于三維不可壓縮NS方程的CFD方法表現(xiàn)最為優(yōu)秀，即使在高度三維化的失速工況下，CFD方法仍能夠比較準(zhǔn)確地模擬葉片的氣動(dòng)特性[4,5]。

1 設(shè)計(jì)需求

盡可能抑制葉片輸出功率在大風(fēng)速非設(shè)計(jì)工況下的過(guò)度增長(zhǎng)，避免由于過(guò)載而燒壞機(jī)組。風(fēng)機(jī)葉片的輸出功率定性上滿(mǎn)足如下關(guān)系式(1)：

其中ρ是空氣密度，為功率系數(shù)(又稱(chēng)為風(fēng)能利用系數(shù))，A=πR2為風(fēng)機(jī)葉片的掃風(fēng)面積，R是葉片展長(zhǎng)，W為風(fēng)速。由式(1)可知葉片輸出功率與風(fēng)速大致滿(mǎn)足關(guān)系式P∝W3。葉片功率控制的目的就是在大風(fēng)速時(shí)盡可能抑制葉片輸出功率的過(guò)快增長(zhǎng)，如圖1所示，即由曲線L1轉(zhuǎn)換至L2；而葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的則是盡可能提高葉片在額定風(fēng)速下的輸出功率，如從P0提高至P1，同時(shí)又能在大風(fēng)速條件有效抑制過(guò)載(圖1中曲線L3)。

風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速和初始設(shè)計(jì)的額定功率分別記為0和0。1表示不進(jìn)行功率控制時(shí)葉片在大風(fēng)速條件下(>0)的輸出功率曲線；2表示控制后的結(jié)果；3表示葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)后的功率曲線。為此，首先以NREL Phase VI葉片為模型，對(duì)其繞流場(chǎng)進(jìn)行局部動(dòng)力學(xué)診斷分析，挖掘出決定葉片氣動(dòng)性能的局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)及主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)NREL Phase VI葉片進(jìn)行有針對(duì)性的改型優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)葉片輸出功率從0至1的跨越，進(jìn)而以?xún)?yōu)化后的葉片為模型，研究在大風(fēng)速條件下控制葉片輸出功率的新思路。雖然本文的流場(chǎng)診斷及氣動(dòng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作是以失速型葉片NREL Phase VI為原型的，但其中關(guān)于風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)性能的局部動(dòng)力學(xué)診斷與優(yōu)化設(shè)計(jì)思想適用于任何類(lèi)型的風(fēng)機(jī)，甚至其他相關(guān)氣動(dòng)構(gòu)型。

2 模型分析

葉片模型如圖2所示，葉片展長(zhǎng)(含根部轉(zhuǎn)軸半徑0.1)=5.03m，葉片最大弦長(zhǎng)位于0.25展長(zhǎng)位置，=0.737m。葉片由三段組成：其根部為圓柱段；從0.25展長(zhǎng)位置開(kāi)始直至葉尖為S809翼型段；在圓柱段與S809翼型段之間為過(guò)渡段[3]。葉片額定轉(zhuǎn)速=7.5rad/s，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍為7m/s~25m/s。為了減少計(jì)算量，我們只模擬10m/s、15m/s、20m/s和25m/s四個(gè)風(fēng)速工況，且不考慮偏航。葉片最大弦長(zhǎng)計(jì)算的Re數(shù)約為106。

圖2 NREL Phase VI 葉片模型

兩片葉片外形完全一致，在風(fēng)機(jī)中保持軸對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假定兩葉片相互之間不存在任何流動(dòng)干擾，葉片繞流場(chǎng)也是軸對(duì)稱(chēng)的。這在我們所研究的無(wú)偏航工況下是成立的。這樣，通過(guò)指定兩葉片之間的對(duì)稱(chēng)面為軸對(duì)稱(chēng)邊界，我們只需要模擬其中一個(gè)葉片的繞流流動(dòng)，從而減少一半的計(jì)算量(這種數(shù)值處理方法在對(duì)稱(chēng)流動(dòng)中是非常普遍的)。

數(shù)值計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示：入口123采用速度邊界條件，其到葉片的距離為6(≈40)；出口4S5S6采用壓力出口邊界條件，其到葉片的距離為8≈40，1254面即為兩葉片之間的軸對(duì)稱(chēng)邊界面。在正風(fēng)條件下，葉片繞流場(chǎng)的非定常特性主要來(lái)自于流場(chǎng)內(nèi)局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)的非定常運(yùn)動(dòng)及其物理演化(如邊界層分離等)[7]。這里我們主要關(guān)心葉片的時(shí)均氣動(dòng)特性，而不關(guān)注局部流動(dòng)結(jié)構(gòu)非定常演化的物理過(guò)程。為了減小計(jì)算量，本文將采用定常算法及在氣動(dòng)計(jì)算中表現(xiàn)優(yōu)異的SA模型來(lái)求解RANS控制方程組。轉(zhuǎn)矩(等于單個(gè)葉片出力的2倍)和彎矩隨風(fēng)速變化情況如圖4所示。不難看出，數(shù)值計(jì)算的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩定性上與實(shí)驗(yàn)值基本一致，定量上除15m/s時(shí)轉(zhuǎn)矩誤差達(dá)24.8%以外，其他風(fēng)速條件下轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差都在9%以?xún)?nèi)，在15m/s時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大誤差的原因可能如圖4所示的實(shí)驗(yàn)值在四個(gè)風(fēng)速點(diǎn)測(cè)試結(jié)果并不平滑，如果對(duì)其進(jìn)行插值平滑處理的話會(huì)降低計(jì)算的誤差值，也可能是網(wǎng)格的劃分導(dǎo)致了模型尺寸與真實(shí)外形發(fā)生了變化，并由此加大了該誤差的值，而各計(jì)算風(fēng)速條件下，葉片彎矩的誤差都在3%以?xún)?nèi)。

圖3 流場(chǎng)內(nèi)部計(jì)算網(wǎng)格

(123和456分別是流場(chǎng)入口和出口)

圖4 NREL Phase VI 葉片轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速變化情況

相對(duì)于NREL提供的盲比計(jì)算結(jié)果，當(dāng)前數(shù)值計(jì)算的葉片整體氣動(dòng)性能參數(shù)的誤差有了質(zhì)的改善[2]。圖5給出了10m/s風(fēng)速時(shí)葉片不同展向截面上壓力系數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況。可以看出，除葉片根部0.3R 截面上前緣局部區(qū)域以外，其他區(qū)域上數(shù)值計(jì)算的壓力分布曲線與實(shí)驗(yàn)值幾乎完全重合。上述計(jì)算結(jié)果表明，在研究具有挑戰(zhàn)性的失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片大風(fēng)速繞流問(wèn)題中，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法(包括SA湍流模式、求解算法、插值格式、計(jì)算網(wǎng)格及相關(guān)的簡(jiǎn)化處理策略)總體上是可靠的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠比較準(zhǔn)確地反映風(fēng)機(jī)葉片繞流場(chǎng)的基本物理特征。

圖5 葉片截面壓力分布計(jì)算結(jié)果

(=10m/s，30%展長(zhǎng)位置截面)

3 結(jié)果與分析

大風(fēng)速時(shí)，失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用葉片主動(dòng)失速來(lái)降低其做功效率，進(jìn)而達(dá)到抑制葉片轉(zhuǎn)矩和功率增長(zhǎng)的目的。此時(shí)葉片整體處于失速狀態(tài)，這使得葉片繞流的非定常性顯著增加；并且，導(dǎo)致葉片彈性變形的氣動(dòng)載荷不但得不到緩解，反而大幅增加，極大地影響風(fēng)機(jī)葉片輸出功率的穩(wěn)定性、發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及使用壽命。記單位展長(zhǎng)上葉片所受的氣動(dòng)力系數(shù)和力矩系數(shù)分別為f = (f;f;f)和C=(C;C;C)，則葉片整體所受的氣動(dòng)力和力矩為：

其中是空氣密度，是風(fēng)速，和分別表示葉片參考面積和展長(zhǎng)。式中力矩的分量形式如下(轉(zhuǎn)矩M和彎矩M)。

通常，葉片所受展向力f遠(yuǎn)小于軸向力f和切向力f(即周向推力)；并且，除葉根外的大部分區(qū)域內(nèi)f作用的力臂x或z也遠(yuǎn)小于展向位置。因此公式(4)和(5)中關(guān)于展向力一階矩的積分項(xiàng)可以忽略(數(shù)值計(jì)算結(jié)果也表明該項(xiàng)對(duì)葉片整體轉(zhuǎn)矩和彎矩系數(shù)的貢獻(xiàn)小于0.1%)。圖6給出了各風(fēng)速條件下 NREL Phase VI 葉片所受力沿葉片展向的分布曲線。

圖6 風(fēng)速條件葉片切向力系數(shù)和軸向力系數(shù)沿展向分布情況

圖6(a)中，10m/s風(fēng)速時(shí)周向推力，f的峰值出現(xiàn)在S809翼型的起始段(=0.25~0.45)。該區(qū)域中近壁展向流動(dòng)正逐步形成。f的這一特征在大風(fēng)速(>10m/s)條件下尤為突出。大風(fēng)速時(shí)，葉片完全失速，葉中和葉尖區(qū)域的邊界層分離使葉片氣動(dòng)性能急劇惡化，升力系數(shù)大幅下降導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝~片的周向推力也急劇下降(如圖6a所示)。因此，大風(fēng)速時(shí)葉根部的周向推力峰值導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩系數(shù)的峰值由10m/s風(fēng)速時(shí)的葉尖迅速移至葉根。這一氣動(dòng)特征表明，在S809翼型起始段(=0.25~0.45)形成的展向流動(dòng)，客觀上有助于改善葉片氣動(dòng)性能。特別是大風(fēng)速條件下，其對(duì)葉片轉(zhuǎn)矩和輸出功率的貢獻(xiàn)比例顯著提高。由圖6(b)可知，10m/s風(fēng)速時(shí)葉尖處的氣動(dòng)效率更高，其對(duì)應(yīng)的軸向力也更大；而風(fēng)速W>10m/s時(shí)，葉片S809翼型段的軸向力系數(shù)基本一致，因此彎矩系數(shù)在大部分展長(zhǎng)范圍內(nèi)呈線性變化。

4 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)格是計(jì)算流體力學(xué)最主要的誤差來(lái)源，網(wǎng)格生成要考慮是否反映真實(shí)外形變化和能否與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)匹配，例如對(duì)于旋轉(zhuǎn)葉片葉尖的螺旋形渦結(jié)構(gòu)就很難利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的軟件生成相匹配的網(wǎng)格，本論文首先建立了NREL Phase VI葉片的模型，并對(duì)模型的繞流場(chǎng)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，數(shù)值結(jié)果在總體上可以客觀反映葉片繞流場(chǎng)的氣動(dòng)特性，但網(wǎng)格的劃分可能會(huì)帶來(lái)計(jì)算結(jié)果在一定程度上的不確定性，影響計(jì)算結(jié)果精度，還需要進(jìn)一步作更深入的研究。

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Study on Aerodynamic Characteristics of Flow Field Around the NREL Phase VI Blades

HU Yu1, 2

(1. Chongqing Water Recourse and Electric Engineering College, Chongqing, 402160, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038, China)

The flow separation and even stall is one of the important characteristics around a wind turbine blade. It can reduce flow attacking the angle at high wind velocity by changing the blade pitch angle, thus contributing to the decrease of aerodynamic performance parameters and achieve effective control of the output power. This paper studies the aerodynamic characteristics of wind turbine blades of stall type, and simulates the flow field around the NREL Phase VI blade, and analyzes the numerical results such as blade torque, bending torque and cross-section aerodynamic characteristics, our findings show that our methods have high reliability.

wind turbine; blade dynamics; airflow dynamics

TM303.5

A

1000-3983(2014)05-0069-04

2014-01-03

胡宇(1978-)，2008年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)，主要研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院博士生，副教授。

審稿人：魏顯著