小型風電機組風輪流線分析研究

文|楊柳，汪建文，馬劍龍，魏海姣，張彥奇，李佩林

風電機組運行于開放的隨機變化的自然大氣環(huán)境中，葉片是風電機組中受力最復雜的部件，其在不停地做旋轉運動，各種激振力幾乎都是通過葉片方向傳遞出去的。尤其是對于展向長、弦向短的細長體，柔性好的風電機組進行的穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析誤差很大，同時由于流體流過風電機組葉片時會產(chǎn)生復雜的非定常性運動，實驗在測量技術上很難達到，故可以利用ANSYS 有限元分析軟件數(shù)值模擬使其流場非定常性運動得以實現(xiàn)。

在國外，日本東京大學Chuichi Arakawa 等對風電機組進行了非穩(wěn)態(tài)模擬計算，通過改變?nèi)~尖形狀從而降低噪聲。2010 年澳大利亞紐卡索大學M.J.Clifton-Smith 針對小型風電機組進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬通過改變不同翼型截面的弦長和扭角提出了一種新的數(shù)值優(yōu)化方法。美國可再生能源實驗室的Y.Bazilevs 等人對大型海上風電機組進行了詳細非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析。

在國內(nèi)南京航空航天大學陳龍等利用DES 方法進行超音速空腔非定常數(shù)值模擬同時也證明該方法的可行性，為今后更深入地研究飛行器上的各種腔體氣動特性打下了基礎。2009 年，新吉勒圖在旋轉區(qū)域網(wǎng)格處理上采用滑移網(wǎng)格模型，對水平軸風電機組尾流流場進行非定常特性的模擬計算。上海電力學院胡丹梅等人利用ANSYS 的FULENT 計算軟件進行了雙向流固耦合。國內(nèi)外進行流場氣動性能分析的很多，大多是利用模擬軟件FLUENT 來進行，而本文主要采用本人所在課題組自己所建立的小型風電機組，然后利用ANSYS 中的CFX 模塊進行非穩(wěn)態(tài)流場模擬計算。

模型的建立

本文將葉片的每一個葉素面的三維坐標以文本文件（.txt）形式，利用Solidworks 零件圖中的“通過xyz 曲線”命令，得到翼型面輪廓線的樣條曲線，然后依次讀取各翼型面的翼型坐標，利用“平面區(qū)域”命令將各葉素輪廓線填充為平面，將輪廓線轉換為實體引用，根據(jù)翼型扭角進行坐標變換，得到風電機組葉片翼型；其次，基于放樣理論，利用“放樣”命令，將各截面逐一放樣成實體圖，并結合葉根數(shù)據(jù)生成葉片實體，最后利用陣列功能得到具體的模型如圖1 所示。

計算域的建立與設置

利用流場計算軟件CFX 進行非穩(wěn)態(tài)流場模擬，由于風電機組表面是無滑移、無滲透、不可壓縮風場是有旋流場運動，加之FSI 面速度壓力分布均相等，故將計算域分為兩個域：靜止域與旋轉域，靜止域的主要作用是用于進出口風速和風壓的設置，其網(wǎng)格類型為普通的滑移網(wǎng)格；由于風電機組旋轉過程中旋轉域的網(wǎng)格會發(fā)生變形，故旋轉域的網(wǎng)格類型設定為變形網(wǎng)格，用于與風電機組葉片與外界環(huán)境的互相傳遞，如圖2 所示。

圖1 風輪模型

圖2 計算域

對于ANSYS 的CFX 中非穩(wěn)態(tài)的設置主要包括出口壓力的設置、入口風速設置、靜止域和旋轉域設置、交界面設置。靜止域的進口風速設置為：8m/s，出口相對壓力為：0Pa ；旋轉域的旋轉速度為：57.14rad/s，同時FSI 面必須在旋轉域中設置，并且FSI 面為風電機組的所有葉片表面。計算域設置如圖2 所示。

結果分析與處理

一、風輪流線分布

經(jīng)過非穩(wěn)態(tài)算法計算模擬可得風輪流線分布情況如下。從圖3 可以看到在風電機組葉尖處流線密度最大，因此可得葉尖周圍的流體流動速度最大，反之可知，風電機組葉尖處的運動速度最大，從圖4 可以觀察到有明顯流線內(nèi)卷的現(xiàn)象，可能由于在風電機組葉片根部的流動現(xiàn)象比較復雜，同時出現(xiàn)分流的現(xiàn)象，這種流線內(nèi)卷現(xiàn)象會造成風能損失。

二、風輪葉片三截面速度、流線云圖分析

為了比較分析距離風輪不同截面的速度、流線的分布，在風電機組同一葉片下、相同攻角處，分別選取葉片展向方向上距離風輪中心三個截面分別是30%R、60%R、90%R，如圖5 和圖6 所示分別為三截面處速度、流線分布云圖。

圖5 可以觀察到在三個截面中隨著沿葉展方向距離風輪中心30%R、60%R、90%R 的變化前緣處速度越來越大。

圖3 風輪側面流線圖

圖4 風輪垂直迎風面流線圖

圖5 截面速度分布云圖

圖6 截面流線分布云圖

結論

利用非穩(wěn)態(tài)算法針對直徑為1.4m 的小型水平軸風電機組進行風輪尾跡流場分析（速度、流線）。以來流風速為8m/s，風輪轉速為57.14rad/s 為例，分析風輪速度、流線變化規(guī)律：

（1）三個截面中隨著葉展方向距離風輪中心30%R、60%R、90%R 截面變化翼型前緣處速度越來越大。

（2）通過風輪流線分布圖可知風輪葉尖處的流線密度最大，并且風輪流線有明顯內(nèi)卷的現(xiàn)象，造成能量損失。

（3）從距離風輪中心30%R 截面中可以看到翼型尾部出現(xiàn)了明顯的失速渦，因此可得風輪主要做功截面分布于葉片中部以及葉梢，根部會造成大量的風量損失。

（4）隨著距離風輪中心30%R、60%R、90%R 三個截面的變化，尾緣的分離現(xiàn)象越來越弱，并且該流線逐漸趨于緊密。