不同傾斜角葉尖小翼水平軸風力機氣動性能

蔡 新，林世發(fā)，胡 莉，郭興文

(1.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 211100; 2.沿海開發(fā)與保護協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210098; 3.江蘇省風電機組結(jié)構(gòu)工程研究中心，江蘇 南京 211100)

風能因儲量巨大、分布廣泛且利用簡單等優(yōu)勢備受矚目，應(yīng)用前景廣闊[1]。但相較于水電、火電等傳統(tǒng)電力形式，風力發(fā)電成本較高。為了降低風力機單位電量成本，提升風力機發(fā)電效率，一種在航空中廣泛應(yīng)用的增功裝置葉尖小翼被引進到風電領(lǐng)域中[2]。日本的Shimizu等[3]開發(fā)了幾種不同形式的葉尖小翼，并進行相關(guān)試驗研究，發(fā)現(xiàn)小翼能使葉片吸力面與壓力面壓差增大，不同尖速比下小翼均能較好地改善風力機的氣動性能。內(nèi)蒙古工業(yè)大學汪建文等[4]利用FLUENT流體軟件分別對加V型平板和S型平板的風力機進行數(shù)值模擬，研究其動力放大特性，揭示小翼對風力機的動力放大原理，為小翼的安裝模擬計算提供了依據(jù)，并對V型小翼進行優(yōu)化，有效改善了風力機的氣動特性，使風力機功率明顯增大。文獻[5-7]研究了不同形式葉尖小翼對風力機氣動性能的影響。許波峰等[8]采用自由渦尾跡(FVW)方法與遺傳算法對分裂式葉尖小翼進行優(yōu)化設(shè)計，并與試驗結(jié)果進行對比，證明了FVW方法計算葉片氣動性能的可靠性，優(yōu)化得到的風力機葉片比原始葉片風能利用系數(shù)提高近30%。劉釗[9]通過風洞試驗?zāi)M了葉尖小翼對水平軸風力機尾跡的影響，發(fā)現(xiàn)添加小翼后尾跡處的流場速度更加接近來流風速。吳柏慧等[10]分別闡述了渦流發(fā)生器、格尼襟翼、葉尖小翼、開縫翼型、仿生結(jié)節(jié)及溝槽被動流動控制技術(shù)的工作原理、控制效果、參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用等情況，展望了其技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

綜上，以往研究大都基于不同形式葉尖小翼，并沒有針對某種小翼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行深入研究，本文重點針對葉尖小翼的關(guān)鍵參數(shù)——傾斜角，結(jié)合六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，運用ANSYS CFX軟件，對不同傾斜角的葉尖小翼水平軸風力機氣動性能進行系統(tǒng)研究。

圖1 水平軸風力機模型Fig.1 Simplified model of horizontal axis wind turbine

圖2 葉尖小翼結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure chart of blade tip winglet

1 模 型 建 立

選取某三葉片小型水平軸風力機為研究對象，以NACA 4412為風力機葉片氣動設(shè)計翼型，額定功率為5 kW，額定風速為7 m/s，風輪直徑為9.6 m。建立幾何模型如圖1所示。

葉尖小翼翼型選用NACA 4412，小翼長240 mm，翼根弦長195 mm，翼尖弦長97.5 mm，其結(jié)構(gòu)見圖2。不改變?nèi)~尖小翼長度，設(shè)計傾斜角分別為15°、30°、45°、60°和75°的5種不同傾斜角的葉尖小翼，加裝到選用的水平軸風力機葉尖。

未加小翼的原風力機額定葉尖速比為7.7，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為107.231 r/min，選取其附近的葉尖速比作為計算工況，對應(yīng)旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速工況設(shè)定如下：工況1轉(zhuǎn)速90.519 r/min，工況2轉(zhuǎn)速97.482 r/min，工況3轉(zhuǎn)速104.445 r/min，工況4轉(zhuǎn)速107.231 r/min，工況5轉(zhuǎn)速111.409 r/min。

2 數(shù) 值 分 析

2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

圖3(a)是葉尖小翼水平軸風力機氣動性能計算域，是長、寬、高分別為100 m、50 m和30 m的長方體[11-12]。計算域由靜止域和旋轉(zhuǎn)域組成，旋轉(zhuǎn)域是一個能將風輪完全包裹在內(nèi)的圓柱體，因為葉尖小翼不同，5種不同傾斜角葉尖小翼風力機流場旋轉(zhuǎn)域尺寸稍有不同，45°傾斜角葉尖小翼風力機周圍網(wǎng)格見圖3(b)，葉片邊界層網(wǎng)格見圖3(c)。第一層網(wǎng)格高度計算公式為

(1)

式中:L——特征長度；y+——壁面無量綱量距離，取值為1；Re——雷諾數(shù)。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Model of grids

2.2 控制方程與湍流模型

基于不可壓縮的連續(xù)方程和雷諾平均的N-S方程，計算不同傾斜角葉尖小翼風力機氣動性能，方程可表述為

(2)

(3)

式中:ρ——流體密度；t——時間；V——速度矢量；p——表面壓力；τ——表面應(yīng)力矢量；f——單位質(zhì)量體積力矢量。

本文模型對邊界層要求高精度地模擬，湍流模型采用Shear-Stress Transport(SST)模型，SST模型能準確地預測湍流的開始，且具有良好的穩(wěn)定性及收斂性。

2.3 邊界條件

5種不同傾斜角葉尖小翼水平軸風力機計算域邊界條件設(shè)置見圖3(a)。風力機上游對應(yīng)的矩形平面設(shè)定為Inlet邊界條件，入口來流風速設(shè)定為原始風力機設(shè)計額定風速7 m/s，湍流強度為5%；風力機下游對應(yīng)的矩形平面設(shè)定為Outlet邊界條件，選擇平均靜壓強，相對壓強為0 Pa；計算域頂部平面及左右兩側(cè)平面設(shè)定為Symmetry邊界條件；葉片表面、輪轂表面邊界條件設(shè)定為Wall邊界，絕熱無滑移，為模擬地面，計算域底部矩形同樣設(shè)定為Wall邊界[13-17]。

靜止域與旋轉(zhuǎn)域之間Interface交界面數(shù)據(jù)傳遞采用General Connection方式，網(wǎng)格連接方式為GGI，該連接方式提供一種守恒和隱式方法，能很好地解決本文旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)時與靜止域交界面網(wǎng)格不對應(yīng)問題。

3 計算結(jié)果與分析

對5種不同傾斜角小翼風力機流場旋轉(zhuǎn)域按所設(shè)計的5個轉(zhuǎn)速工況設(shè)定進行穩(wěn)態(tài)計算，穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為瞬態(tài)計算初始值。瞬態(tài)計算總時間由仿真中風力機達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間決定，設(shè)定為風力機旋轉(zhuǎn)5圈所用時間，風輪旋轉(zhuǎn)5°所用時間設(shè)為時間步長[18-22]。通過增加葉片徑向、周向以及風力機上下游流場域網(wǎng)格密度，建立4種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型，網(wǎng)格數(shù)量以20%增加。計算結(jié)果對比可知，轉(zhuǎn)矩輸出最大相差1.88%，推力輸出最大相差0.91%，不超過最大誤差2%。

3.1 風能利用率及輸出功率

圖4 風能利用率隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Changes of rotor power coefficient with rotating speed

圖4顯示原始風輪與5種加裝不同傾斜角小翼風力機在5種工況下風能利用率隨轉(zhuǎn)矩變化情況，可見加裝葉尖小翼后風力機風能利用率明顯提升，葉尖小翼不同傾斜角對風力機氣動性能影響差異較大。小翼傾斜角越大，風力機風能利用率越高，但隨著風輪轉(zhuǎn)速增加迅速下降，且傾角越大，最大風能利用率工況對應(yīng)的轉(zhuǎn)速越小。由于小傾角小翼對風輪附近流場的影響較小，傾斜角較小的葉尖小翼風力機基本能和原始風力機保持較接近的變化趨勢。原始風力機最大風能利用率為39.945%，5種小翼風力機(Winglet15°、Winglet30°、Winglet45°、Winglet60°、Winglet75°)最大風能利用率依次為41.308%、41.018%、42.395%、43.881%和44.355%。

圖5 輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Changes of output power with rotating speed

5種小翼長度相同、傾角不同，即掃風面積不同，故有必要對比風力機輸出功率。圖5是原始風力機與5種小翼風力機輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化情況。由圖5可見，較低轉(zhuǎn)速下，輸出功率隨著傾斜角增加而先下降、后上升；轉(zhuǎn)速增加，大傾斜角風力機輸出功率開始以較快速度減小；在高轉(zhuǎn)速下，輸出功率隨著傾斜角增加而先下降、后上升，然后再下降?？赡苁鞘芤硇凸ソ呛蛣討B(tài)失速的影響，轉(zhuǎn)速增大時，小翼攻角增大，葉片氣動性能由于動態(tài)失速的影響，導致輸出功率下降。并且傾斜角越大，小翼攻角增加越快，受動態(tài)失速影響越大，輸出功率下降越快，所以輸出功率呈現(xiàn)先下降、后上升，然后再下降的趨勢。原始風力機與小翼風力機輸出功率依次為5 876.052 W、6 752.626 W、6 641.692 W、6 761.541 W、6 859.071 W和6 771.657 W，其中Winglet60°對風機輸出功率提升最多，約16.73%。

3.2 轉(zhuǎn)矩與推力

提取Winglet45°和Winglet60°小翼風力機工況2下旋轉(zhuǎn)5圈在不同旋轉(zhuǎn)角度下輸出轉(zhuǎn)矩的值，與原始風力機比較(圖6)，風力機旋轉(zhuǎn)5圈共旋轉(zhuǎn)的角度為1 800°。由圖6可知，風力機均在旋轉(zhuǎn)2圈后開始趨于穩(wěn)定且3種風力機均在相同位置處出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩波峰值和波谷值，達到穩(wěn)定之前輸出轉(zhuǎn)矩曲線類似正弦曲線，在任何時候葉尖小翼風力機轉(zhuǎn)矩輸出均大于原始風力機。圖7是風力機在各個工況下的順風向推力曲線。由圖7可見增加小翼后風力機順風向推力均增大，且比較接近線性增長，順風向推力是風輪迎風面與背風面上壓力差作用的結(jié)果，主要與風力機掃風面積有關(guān)，Winglet15°風力機掃風面積最大，高轉(zhuǎn)速下順風向推力也最大，而Winglet65°和Winglet75°風力機在高轉(zhuǎn)速下順風向推力最小。在低轉(zhuǎn)速工況下，大傾斜角葉尖小翼風力機有較明顯的優(yōu)勢，在輸出較大功率的同時，受到的推力也相對較小，有利于風力機平穩(wěn)有效地運行。

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩曲線Fig.6 Output torque curve

圖7 順風向推力隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Changes of downwind thrust with rotating speed

3.3 葉片表面壓強

為研究不同傾斜角對葉片表面壓強分布的影響，提取風力機葉片展向方向r=3.6 m、r=4.5 m、r=4.7 m和r=4.8 m位置橫截面處表面壓強分布。提取工況3下原始風力機、Winglet15°風力機和Winglet45°風力機在此4個截面處，上、下翼面的壓強分布，見圖8。由圖8可見前緣處壓強差大，尾緣壓強差明顯減小，故前緣段為翼型主要功率輸出部分。與原始葉片對比，距離葉尖較遠截面處3種風力機翼面壓強分布曲線幾乎完全重合，而在靠近葉尖處，小翼風力機葉片壓強差大于原始葉片，說明葉尖小翼主要對葉尖處壓強分布有明顯影響。

圖8 工況3不同截面處翼面壓強分布Fig.8 Pressure distribution of airfoil surface at different sections of Case 3

選取工況1時，Winglet15°、Winglet45°、Winglet60°和Winglet75°的4種不同傾角小翼風力機葉片4個靠近葉尖截面處翼面壓強分布情況見圖9，可以看出，小翼傾斜角越大，同截面處下翼面壓強越大，上翼面基本無變化，直至最靠近小翼翼型截面處，上翼面壓強發(fā)生明顯變化，且小傾斜角小翼葉片上翼面壓強明顯更小。由于小傾斜角小翼在葉片展向方向更長，相同截面處小傾斜角葉片離葉尖更遠，受到葉尖渦的干擾更小。如圖9(d)，小傾斜角小翼葉片上翼面壓強低于大傾斜角，而在下翼面，一直都是大傾斜角小翼葉片壓強最大。故在較低轉(zhuǎn)速下，大傾斜角小翼風力機氣動性能較高。

圖9 工況1不同截面處翼面壓強分布Fig.9 Pressure distribution of airfoil surface at different sections of Case 1

3.4 翼根彎矩

由于單向葉尖小翼向外彎折即傾斜角的存在，而葉尖小翼上、下翼面存在壓力差，葉尖小翼翼根處會出現(xiàn)彎矩。根據(jù)計算結(jié)果可知翼根彎矩與風輪轉(zhuǎn)速幾乎呈線性關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，且相同工況下葉尖小翼傾斜角越大時翼根彎矩越小。5種不同傾斜角葉尖小翼風力機最大翼根彎矩分別為176.037 N·m、149.603 N·m、119.033 N·m、84.110 N·m和51.822 N·m。

3.5 流場特性

提取傾斜角分別為15°、45°、60°和75°的葉尖小翼風力機工況2沿葉片1展向方向y=4.7 m處葉片周圍流場速度分布云圖見圖10。由圖10可見：風力機葉片前緣處空氣流體速度較大，到尾緣后速度明顯減小；葉片在旋轉(zhuǎn)過程中形成的尾流隨著風速方向向下游移動，形成相對于遠離葉片區(qū)流場，葉片周圍尤其下游區(qū)域產(chǎn)生了明顯的氣流速度減小區(qū)域。不同傾斜角葉尖小翼葉片周圍流場速度分布有較大差異，從Winglet15°風力機到Winglet75°風力機小翼前方低速區(qū)面積逐漸減小，隨著小翼傾斜角的變大，流經(jīng)風輪葉尖區(qū)域空氣流體流速有所提高，說明較大傾斜角葉尖小翼對葉尖渦的抑制作用更加明顯，尾流是葉尖渦從葉尖處剝落向風向下游旋轉(zhuǎn)移動形成，葉尖渦被削弱，尾流也會得到改善，有利于風力機葉片風能的吸收，改善風力機周圍流場。葉尖小翼不僅對葉尖渦，對風力機尾流也有較好的改善，尤其是大傾斜角葉尖小翼，尾流也會反過來影響風輪對風能的吸收。

圖10 風力機周圍流場速度分布云圖Fig.10 Velocity distribution of flow field around the wind turbine

圖11 風力機周圍流場渦量分布對比Fig.11 Vorticity distribution of flow field around the wind turbine

圖11是15°、30°、60°和75°傾斜角葉尖小翼風力機在各自風能利用率最高工況下旋轉(zhuǎn)域內(nèi)平行于風輪旋轉(zhuǎn)平面沿旋轉(zhuǎn)中心截圖的風力機周圍流場渦量分布。由圖11可見，不同傾斜角葉尖小翼風力機相鄰葉片之間渦量分布沒有變化，而葉尖尾緣部分渦量分布變化較大，60°和75°大傾斜角葉尖小翼風力機葉尖渦量分布比15°和30°傾斜角風力機弱，15°小翼葉尖尾緣是明顯的一個強渦量分布區(qū)，而30°和60°小翼尾緣處渦量有所減少并被打散成2個小渦量分布區(qū)，75°葉尖小翼尾緣渦量分布明顯變?nèi)酢？梢妰A斜角的變化對葉尖小翼改善風力機葉尖周圍流場影響較大，傾斜角越大，越有利于降低風力機葉片上流體的三維效應(yīng)。而60°傾斜角小翼風力機最大功率輸出卻大于75°葉尖小翼，故傾斜角增大，整個葉片展向方向長度減少，掃風面積也減少，捕捉風能的面積也相應(yīng)下降。

4 結(jié) 論

a. 相對于原始無小翼風力機，5種不同傾斜角葉尖小翼風力機輸出功率和風能利用率都有顯著增長。小翼傾斜角越大，風力機風能利用率越高，但隨著風輪轉(zhuǎn)速增加迅速下降，傾斜角較小的葉尖小翼風力機基本能和原始風力機保持較接近的變化趨勢，其中Winglet60°對風力機輸出功率提升最多，約16.73%。

b. 增加小翼后風力機順風向推力均增大，順風向推力主要與風力機掃風面積有關(guān)。在低轉(zhuǎn)速工況下，大傾斜角葉尖小翼風力機在輸出較大功率的同時，受到的推力也相對較小。

c. 葉尖小翼對風力機葉片上翼面壓強差影響主要集中在葉尖處，且前緣段為翼型主要功率輸出部分。大傾斜角小翼更能提升葉片下翼面的壓強，增大壓強差。

d. 不同傾斜角葉尖小翼對葉尖處周圍流場的影響也不同，大傾斜角葉尖小翼對葉尖渦的抑制作用明顯強于小傾斜角葉尖小翼，能將葉尖處的強渦量打散成2個較弱的渦量，降低葉尖能量損失。