風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)葉片性能影響的模擬分析

胡 斌， 劉 雙

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

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風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)葉片性能影響的模擬分析

胡 斌， 劉 雙

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

建立了風(fēng)機(jī)葉片的三維數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)葉片流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，通過調(diào)用Static Structural模塊進(jìn)行葉片形變分析，并在Workbench平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了流固耦合.基于該方法研究了不同風(fēng)速下的流場(chǎng)分布情況和葉片變形情況.結(jié)果表明：本文計(jì)算值與文獻(xiàn)[14]中的測(cè)量值吻合較好，兩者最大誤差不超過5%，驗(yàn)證了本文數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的正確性；隨著風(fēng)速的增大，葉輪表面的速度值也在增大，氣動(dòng)壓強(qiáng)分布的不均勻性更加明顯；當(dāng)風(fēng)速由5 m/s增大至12.5 m/s時(shí)，葉片的最大形變量增大了0.91 m，葉片形變量與風(fēng)速呈非線性變化關(guān)系；揮舞是葉片的主要振動(dòng)形式.

風(fēng)機(jī)葉片； 流固耦合； 風(fēng)速； 流場(chǎng)； 形變

風(fēng)能是一種重要的綠色可再生能源，具有良好的發(fā)展前景.近幾年，我國(guó)的風(fēng)電建設(shè)在逐步擴(kuò)大，加強(qiáng)風(fēng)電關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性具有重要意義.

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，對(duì)于其流場(chǎng)研究而言，風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量經(jīng)費(fèi)較高，風(fēng)機(jī)的CFD數(shù)值模擬己成為當(dāng)前國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一[1].近年來，多采用數(shù)值模擬的方法研究風(fēng)機(jī)葉片的流場(chǎng)[2-11].邱興克[2]利用Fluent軟件對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了二維流場(chǎng)分析，研究在不同風(fēng)速下葉片受到的壓強(qiáng)和表面風(fēng)速的變化情況.李媛[5]建立了基于CFD的三維風(fēng)機(jī)葉片模型，研究了不同風(fēng)速下風(fēng)輪的氣動(dòng)彈性特征，選用的是Sparlart-Allamaras單方程湍流模型，分析了葉片變形與載荷分布的相互影響機(jī)理.王博等[6]利用Fluent軟件對(duì)多個(gè)風(fēng)速工況下的風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了氣動(dòng)流場(chǎng)模擬仿真，湍流模型為RNGk-ε，得到了壓強(qiáng)和流速等氣動(dòng)參數(shù)的分布特點(diǎn).張昇龍[7]利用Fluent軟件對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了三維定常數(shù)值模擬，應(yīng)用的湍流模型是Spalart-Allmaras單方程模型，同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)尾跡流場(chǎng)及不同截面處的壓強(qiáng)和速度分布進(jìn)行了分析.筆者建立了風(fēng)機(jī)葉片的三維數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行流場(chǎng)模擬分析，并調(diào)用Static Structural模塊進(jìn)行形變分析，在Workbench平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了流固耦合，湍流模型選用SSTk-ω，主要研究了不同風(fēng)速下流場(chǎng)分布情況和葉片變形情況，這對(duì)葉片的失效分析和運(yùn)行維護(hù)將起到重要作用.

1 數(shù)學(xué)模型

選取風(fēng)速作為過程參數(shù)，其具體大小見表1.由表1可見，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c計(jì)算模型的轉(zhuǎn)速并不相同，這是為了保證相同風(fēng)速下的葉尖速比一致.設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.幾何模型如圖1所示.旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)與外流場(chǎng)的網(wǎng)格見圖2，網(wǎng)格總數(shù)量為2 846 019，另外旋轉(zhuǎn)域采用了邊界層網(wǎng)格，可以保證計(jì)算精度.

表1 過程參數(shù)

1.1 流體控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

表2 風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 風(fēng)機(jī)葉片的幾何模型

(a) 旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)

(b) 外流場(chǎng)

(2)

式中:ρ為密度;u為速度矢量;p為靜壓;μeff為有效黏性系數(shù);F為體積力.

1.2 邊界條件

根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片在流場(chǎng)中的實(shí)際運(yùn)行情況，邊界條件設(shè)置如下：(1)旋轉(zhuǎn)域.該區(qū)域隨著葉片旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為葉輪轉(zhuǎn)速，定義為rotor.(2)靜止域.該區(qū)域?yàn)殪o止外流場(chǎng)，定義為stator.(3)進(jìn)口.即外流場(chǎng)來流處，定義為 velocity-inlet.(4)出口.即外流場(chǎng)出流處，定義為pressure-outlet.由貝茲理論可知，葉片前方遠(yuǎn)處的靜壓與后方遠(yuǎn)處的靜壓應(yīng)該相等，因此設(shè)置為壓力出口.(5)壁面.外流場(chǎng)壁面定義為wall，旋轉(zhuǎn)域與靜止域的交界面定義為interface，二者均采用無滑移邊界條件.

1.3 模型選擇與求解設(shè)置

考慮到風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特點(diǎn)及來流條件，選擇基于壓力的隱式求解器進(jìn)行計(jì)算，其收斂性優(yōu)于分離式和顯式.采用Simple方法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合，壓力插值采用Standard方式，動(dòng)量和湍流動(dòng)能及湍能耗散率均選用二階離散迎風(fēng)格式，有利于提高計(jì)算精度.

由于風(fēng)機(jī)葉片附近流場(chǎng)流動(dòng)情況的復(fù)雜性，選擇SST(shear-stress transport)k-ω模型作為湍流模型，該模型與Sparlart-Allamaras單方程模型和RNGk-ε模型相比，對(duì)截面壓力分布和轉(zhuǎn)矩的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確[12]，它是標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的改進(jìn).使用混合函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-ε和k-ω模型結(jié)合起來，并包含轉(zhuǎn)捩和剪切選項(xiàng)，這對(duì)邊界層流動(dòng)及分離流動(dòng)均有較好的模擬效果[13]，因此比較適用于風(fēng)機(jī)葉片的流場(chǎng)模擬.

SSTk-ω湍流模型方程如下：

(3)

(4)

其中有效擴(kuò)散項(xiàng)方程：

式中:Gk、Gω分別為k與ω的湍流動(dòng)能;Γk、Γω分別為k與ω的有效擴(kuò)散項(xiàng);μt為湍流黏性系數(shù)；Yk、Yw分別為k與w的發(fā)散項(xiàng);Dω為正交發(fā)散項(xiàng);Sk、Sω均為用戶自定義項(xiàng);k為紊流脈動(dòng)動(dòng)能;ω為比耗散率;ui為i向速度分量.

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法的正確性，采用與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缦嗤臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算值與文獻(xiàn)[14]中的測(cè)量值進(jìn)行比較，結(jié)果示于圖3.由圖3可見，計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值吻合較好，且最大誤差不超過5%，所以該數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法可用來預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的流場(chǎng)分布與形變量變化.鑒于此，筆者采用相同的建模方法與計(jì)算方法對(duì)大尺寸在役風(fēng)機(jī)葉片的流場(chǎng)分布和形變量變化進(jìn)行模擬，從而提高模擬結(jié)果的可參考性.

(a) 壓強(qiáng)對(duì)比

(b) 速度對(duì)比

2 結(jié)果與分析

2.1 不同風(fēng)速下的速度場(chǎng)分布

圖4給出了葉輪的速度場(chǎng)分布.由圖4可見，在不同的風(fēng)速條件下，沿葉展方向的速度場(chǎng)分布趨勢(shì)基本一致，輪轂處的速度值最小，葉尖處的速度值最大，這與周向速度公式v=2πR/T=ωR(式中R為風(fēng)輪半徑,T為周期,ω為角速度)所計(jì)算出的結(jié)果相符.從葉根到葉尖處的速度值依次增大，隨著來流速度增大，葉輪表面的速度值也增大.圖5為單個(gè)葉片的速度場(chǎng)分布，由圖5可以更好地觀察出這一現(xiàn)象.

圖6給出了葉輪后截面的速度場(chǎng)分布.距離葉輪中心3 m的位置，由于葉輪前截面的流場(chǎng)并未受到葉輪的阻礙作用，速度場(chǎng)不會(huì)發(fā)生明顯變化，因此主要分析了葉輪后截面的速度場(chǎng)分布.由圖6可以看出，葉輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)影響到周圍區(qū)域的流體流動(dòng)，導(dǎo)致葉輪附近區(qū)域流體速度相對(duì)較大，而遠(yuǎn)離葉輪區(qū)域的流體速度相對(duì)較小.另外，由圖6還可以看出，隨著來流速度的增大，葉輪影響區(qū)域的速度值也增大，而且具有紊流現(xiàn)象，符合實(shí)際流場(chǎng)的空氣流動(dòng)特性. 圖7給出了速度場(chǎng)分布矢量圖.從圖7可以直觀地看出葉片在旋轉(zhuǎn)過程中流場(chǎng)的分布特性.葉尖處速度值較大，而且在旋轉(zhuǎn)過程中，葉輪主要受哥氏力和離心力的影響.哥氏力引起逆壓力梯度降低，使得流域出現(xiàn)附加的加速流動(dòng)，而離心力促使吸力面上分離區(qū)域的氣流沿葉尖方向移動(dòng)，在這2種力的共同作用下，流動(dòng)分離延遲，同時(shí)氣流的穩(wěn)定性增強(qiáng)，這樣可起到增大升力和減小阻力的效果，從而增強(qiáng)了風(fēng)機(jī)的動(dòng)力輸出，保證在額定工況下滿足功率輸出要求.通過對(duì)不同工況下葉片性能的分析，對(duì)本文中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)效率計(jì)算，風(fēng)機(jī)效率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線見圖8.由圖8可見，當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率較好；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率保持恒定后有所降低.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

2.2 不同風(fēng)速下的壓強(qiáng)分布

圖9給出了葉輪的壓強(qiáng)分布.由前文分析可知，葉輪前截面的壓強(qiáng)分布均勻，因此主要分析葉輪后截面的壓強(qiáng)分布.由圖9可以看出，在葉輪的旋轉(zhuǎn)作用下，葉片周圍區(qū)域的空氣氣流速度受到影響，使葉輪及周圍區(qū)域的氣流壓強(qiáng)隨之發(fā)生變化，呈現(xiàn)出與速度場(chǎng)相呼應(yīng)的分布特點(diǎn).隨著風(fēng)速的增大，紊流現(xiàn)象更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致葉片表面流場(chǎng)發(fā)生較大變化，故氣動(dòng)壓強(qiáng)分布表現(xiàn)出明顯的不均勻性.圖10給出了單個(gè)葉片的壓強(qiáng)分布,從圖10可以看出葉片根部壓強(qiáng)相對(duì)較大.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖7 不同風(fēng)速下葉輪速度場(chǎng)分布矢量圖

Fig.7 Velocity vector field distribution at different wind speeds

圖8 風(fēng)機(jī)功率隨風(fēng)速的變化曲線

2.3 不同風(fēng)速下的形變分析

圖11給出了不同風(fēng)速下葉片在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生的形變.葉片由靜止到旋轉(zhuǎn)過程中，所受的外力逐漸增大，進(jìn)而使葉片發(fā)生形變.隨著風(fēng)速的增大，形變量也逐漸增大，當(dāng)風(fēng)速由5 m/s增大到12.5 m/s時(shí)，形變量由0.15 m增大到1.06 m，顯然形變量是比較大的.值得一提的是，形變量與風(fēng)速呈非線性變化，如圖12所示.由圖11(b)也可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)載的作用下，葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上發(fā)生了彎曲振動(dòng)，從而也體現(xiàn)出揮舞是葉片的主要振動(dòng)形式，揮舞形式的振動(dòng)對(duì)葉片的整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)不利，是造成疲勞損傷的重要原因之一.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖10 葉片壓強(qiáng)分布

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片在不同風(fēng)速下的模擬分析，得到了相應(yīng)風(fēng)速下的葉輪速度場(chǎng)和壓強(qiáng)分布.隨著風(fēng)速的增大，葉輪表面的速度值增大，氣動(dòng)壓強(qiáng)分布的不均勻性更加明顯.當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)效率較好.

(2)葉片的形變量隨風(fēng)速變化呈非線性變化.在風(fēng)載的作用下，葉片在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向上會(huì)發(fā)生彎曲振動(dòng)，說明揮舞是葉片振動(dòng)的主要形式，揮舞形式的振動(dòng)對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不利影響.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖12 不同風(fēng)速下葉片形變量的大小

[1] 劉丹, 李軍向, 薛忠民, 等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片數(shù)值模擬綜述[J]. 電氣技術(shù), 2010(7): 7-11, 18.

LIU Dan, LI Junxiang, XUE Zhongmin,etal. The review of numerical simulation of wind turbine blade[J]. Electrical Engineering, 2010(7): 7-11, 18.

[2] 邱興克. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維建模與分析[D]. 烏魯木齊: 新疆大學(xué), 2006.

[3] 魏義利. 大型風(fēng)力機(jī)葉片的外形設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬分析[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2010.

[4] 戴彬彬. 風(fēng)力機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)與流固耦合特性研究[D]. 湘潭: 湘潭大學(xué), 2013.

[5] 李媛. 風(fēng)力機(jī)葉片流固耦合數(shù)值模擬[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2013.

[6] 王博, 祁文軍, 孫文磊, 等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)性能數(shù)值模擬[J]. 機(jī)床與液壓, 2013, 41(7): 166-171.

WANG Bo, QI Wenjun, SUN Wenlei,etal. Numerical simulation of aerodynamic performance for wind turbine blades[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2013, 41(7): 166-171.

[7] 張昇龍. 水平軸風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)及其氣動(dòng)性能的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2014.

[8] LI Yuwei, PAIK K J, XING Tao,etal. Dynamic overset CFD simulations of wind turbine aerodynamics[J]. Renewable Energy, 2012, 37: 285-298.

[9] YU D O, KWON O J. Predicting wind turbine blade loads and aeroelastic response using a coupled CFD-CSD method[J]. Renewable Energy, 2014, 70: 184-196.

[10] KO? E, YAVUZ T, KILKIB,etal. Numerical and experimental analysis of the twin-blade hydrofoil for hydro and wind turbine applications[J]. Ocean Engineering, 2015, 97: 12-20.

[11] LI Y, CASTRO A M, SINOKROT T,etal. Coupled multi-body dynamics and CFD for wind turbine simulation including explicit wind turbulence[J]. Renewable Energy, 2015, 76: 338-361.

[12] 劉磊, 徐建中. 湍流模型對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能預(yù)估的影響[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(7): 1136-1139.

LIU Lei, XU Jianzhong. The effects of turbulence model on the aerodynamic performance prediction of wind turbine blade[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(7): 1136-1139.

[13] 鐘偉, 王同光. 轉(zhuǎn)捩對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型和葉片失速特性影響的數(shù)值模擬[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 29(3): 385-390.

ZHONG Wei, WANG Tongguang. Numerical analysis of transition effect on stall performance of wind turbine airfoils and blades[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2011, 29(3): 385-390.

[14] 王久鑫. 水平軸風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)及其性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2014.

Influence of Wind Speed on the Performance of Wind Turbine Blades

HU Bin, LIU Shuang

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Based on the three-dimensional mathematical model of wind turbine blade, a simulation analysis was carried out on the turbine flow field using CFD software Fluent, while a stress analysis of the blade was performed with Static Structural module, in which case fluid-solid coupling was realized in the Workbench platform. The method proposed was used to study the flow field and stress distribution of wind turbine blades at different wind speeds. Results show that the calculated values agree well with actual measurements in literature [14], and the maximum error is less than 5%, proving the calculation method and mathematical model to be correct. With the rise of wind speed, the velocity on impeller surface also increases, and the pressure distribution becomes obviously non-uniform. When the wind speed rises from 5 m/s to 12.5 m/s, the maximum deformation of blade would be increased by 0.91 m, and the blade deformation is nonlinearly related to the wind speed. The vibration of blade is mainly in the wave form.

wind turbine blade; fluid-solid coupling; wind speed; flow field; deformation

2015-12-15

2016-03-01

國(guó)家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201210076)

胡 斌(1977-)，男，河南信陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)與安全評(píng)價(jià). 電話(Tel.)：010-59068300;E-mail：hubin@csei.org.cn．

1674-7607(2016)12-0993-07

TK83

A 學(xué)科分類號(hào)：470.30