具有流線型凸包的風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)特性

趙 萌， 劉 振， 劉印楨， 劉美英

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 呼和浩特 010051)

風(fēng)力機(jī)葉片作為發(fā)電機(jī)組的重要部件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，葉片所產(chǎn)生的阻力主要分為壓差阻力和摩擦阻力。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，壓差阻力占據(jù)總阻力的主要部分，而非光滑面可以通過犧牲一部分的摩擦阻力來大大降低壓差阻力，從而達(dá)到減阻降噪效果[1-3]。目前中外諸多學(xué)者在非光滑面減阻特性方面進(jìn)行了相關(guān)研究：姚偉偉等[4]設(shè)計(jì)具有凹凸變化的仿生表面優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片；為改善風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，張立棟等[5]在對稱翼型表面布置V形脊?fàn)畋砻娼Y(jié)構(gòu)，袁一平等[6]在翼型表面布置溝槽結(jié)構(gòu)，結(jié)果均證明與光滑翼型表面相比具有一定的減阻效果，且升力增益明顯；Chan等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬方法將葉片形狀與適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行耦合求解，改進(jìn)后的風(fēng)力機(jī)平均功率系數(shù)有了很大提升；Seide等[8]應(yīng)用生物學(xué)方法設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析氣動(dòng)性能。

目前對風(fēng)力機(jī)葉片的減阻增效主要集中在溝槽、脊?fàn)畋砻嬉约叭~片結(jié)構(gòu)等方面，而凸包結(jié)構(gòu)具有很好適用性與便利性，將凸包應(yīng)用于各類表面，均具有良好的減阻效果[9-10]，但在此方面的探討甚少。根據(jù)凸包減阻原理并設(shè)計(jì)流線型凸包結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于葉片表面，利用數(shù)值模擬方法分析其氣動(dòng)性能，并與常規(guī)光滑葉片做對比，探討其減阻效果。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 流線型凸包結(jié)構(gòu)及風(fēng)輪模型

采用在光滑型風(fēng)輪附加凸包的方法建立模型，凸包采用流線型凸包。根據(jù)凸包減阻效應(yīng)可得，凸包結(jié)構(gòu)可大幅降低壓差阻力，從而達(dá)到減阻效果。流線型凸包可改變流線凸包的參數(shù)，從而對流場起到最大引流效果，控制翼型尾流渦脫落方向，達(dá)到穩(wěn)定流場的效果。因此采用流線型凸包結(jié)構(gòu)，凸包為對稱性，其弦長為15 mm，高為2 mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為對比分析，建立流線凸包型以及光滑型風(fēng)輪，額定工況為：額定功率為300 W，額定風(fēng)速為10 m/s，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，風(fēng)輪直徑為1.4 m。

圖1 凸包結(jié)構(gòu)Fig.1 Convex hull structure

葉片近流場流線分布近似于風(fēng)輪同心圓，以其流線分布為基準(zhǔn)排布凸包位置。葉片表面速度分布是沿葉片展向增大，葉尖風(fēng)速達(dá)到最大，由此根據(jù)葉片表面速度分布的不均勻性，將流線型凸包排列密度分為三個(gè)層次：低密度、中密度、高密度，其凸包間隔分別為30、20、10 mm，如圖2所示。為了利用流線型凸包改善葉片近流場，凸包的弦長與流線切線呈30°角安裝，使流經(jīng)葉片尾緣處的流線向葉尖方向偏轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率。

圖2 凸包排列圖Fig.2 Convex hull arrangement

1.2 分離渦(DES)方法

由于流線凸包模型較小，數(shù)量較多，將會(huì)導(dǎo)致葉片附近有大量的附著渦及渦脫現(xiàn)象的產(chǎn)生。數(shù)值模擬采用分離渦(DES)模擬方法，其主要方法是將大渦模擬方法與雷諾時(shí)均方法相結(jié)合[11]。既可以捕捉到葉片附近許多細(xì)小附著渦，又節(jié)省大量計(jì)算資源。數(shù)值模擬選取經(jīng)典湍流模型：SSTk-ω模型。SSTk-ω模型的輸運(yùn)方程的表達(dá)式[12]如下：

(1)

(2)

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件的確定

風(fēng)力機(jī)葉片是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，數(shù)值模擬采用滑移網(wǎng)格來解決計(jì)算域與旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格適應(yīng)性問題。模擬的物理模型為風(fēng)輪，此計(jì)算域采用圓柱形計(jì)算域，計(jì)算域直徑為6D(D為風(fēng)輪直徑)，其他尺寸如圖3所示。經(jīng)驗(yàn)證，此計(jì)算域尺寸大小可消除風(fēng)力機(jī)對繞流場的影響。

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Computational domain diagram

采用六面體網(wǎng)格，邊界層分為6層，以確保邊界與主流區(qū)的網(wǎng)格平滑銜接。在重點(diǎn)研究區(qū)域(風(fēng)力機(jī)附近流場)進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為600 萬。建立凸包型以及光滑型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對比研究分析，其數(shù)值模擬的邊界條件為：速度入口，壓力出口，相對壓力為0 Pa，風(fēng)輪表面無滑移。其不同來流風(fēng)速分別選取6、8、10、12、14 m/s。

1.4 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法計(jì)算不同葉尖速比下風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)，與文獻(xiàn)[13]結(jié)果進(jìn)行了對比。由圖4可知，數(shù)值模擬結(jié)果和文獻(xiàn)[13]中的扭矩系數(shù)結(jié)果最大誤差在6%，說明數(shù)值模擬方法的適用性和準(zhǔn)確性。

圖4 扭矩隨葉尖速比變化曲線Fig.4 Power curve as a function of wind speed

1.5 凸包減阻理論

凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)融合了脊肋與凹坑非光滑表面結(jié)構(gòu)的各自特點(diǎn)，具有更強(qiáng)大的適應(yīng)性。脊肋非光滑結(jié)構(gòu)適用于分離點(diǎn)后方湍流強(qiáng)度較大區(qū)域，可有效改善湍流區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)，大大降低流動(dòng)時(shí)的壓差阻力；但是其結(jié)構(gòu)對于摩擦阻力的減阻率遠(yuǎn)低于壓差阻力。凹坑非光面結(jié)構(gòu)更適用于分離點(diǎn)以前及分離點(diǎn)附近的低湍流區(qū)域，其結(jié)構(gòu)中的低速氣流漩渦有效地降低摩擦阻力，對其壓差阻力的影響有限。凸包結(jié)構(gòu)在流動(dòng)分離區(qū)域有類似脊肋結(jié)構(gòu)減阻效果，大大降低壓差阻力；而凸包結(jié)構(gòu)之間擁有類似凹坑結(jié)構(gòu)，大大加強(qiáng)此結(jié)構(gòu)對摩擦阻力的影響。

2 繞流場特性

2.1 葉片壓力分布與近流場分布

圖5為流線凸包型與光滑型葉輪的壓力分布。由圖5可以看出，葉輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，較大壓力處為葉片前緣，其區(qū)域范圍是沿葉梢到葉根的2/3。

圖5 葉輪壓力分布圖Fig.5 Impeller pressure

流線凸包型風(fēng)輪與光滑型風(fēng)輪的高壓區(qū)域基本一致，不同的是風(fēng)輪壓力面上負(fù)壓區(qū)域的分布，流線凸包型風(fēng)輪上負(fù)壓區(qū)域覆蓋范圍明顯大于光滑型風(fēng)輪，兩者的負(fù)壓區(qū)域都集中在葉梢處。由此可得，由于凸包的存在，使流動(dòng)分離區(qū)域增加，壓力面壓力梯度變化更加明顯，同時(shí)也表明凸包型葉片沿葉片展向的速度梯度變大。

圖6為8、14 m/s時(shí)壓力面的極限流線分布。無限接近葉片表面的位置存在的流線為極限流線。極限流線可以用來分析葉片表面的流動(dòng)狀態(tài)。凸包型結(jié)構(gòu)明顯改變了葉片流場分布。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，凸包葉片流場分布更為紊亂，邊界層被破壞，葉片表面出現(xiàn)大范圍的流動(dòng)分離；當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，分離區(qū)域大大減小，流線分布呈現(xiàn)規(guī)律狀。比較光滑型與流線凸包型葉片的極限流線，可以看出流線經(jīng)過凸包后，整體向葉尖方向偏轉(zhuǎn)，從而使沿葉片沿展向的速度梯度變大。

圖6 葉片極限流線分布圖Fig.6 Velocity distribution around the flow field

2.2 葉輪前后速度場分布規(guī)律

由于流線凸包結(jié)構(gòu)的存在，改善了風(fēng)輪葉片處流場結(jié)構(gòu)，對縱向繞流場的影響更為明顯，故分析風(fēng)輪前后速度場的差異來探究流線凸包對葉片流場的改善效果。圖7、圖8分別為14、12 m/s時(shí)風(fēng)輪前后速度場分布圖。

圖7 14 m/s時(shí)風(fēng)輪處前后速度場對比圖Fig.7 Comparison of flow fields before and after the wind wheel at 14 m/s

由于風(fēng)力機(jī)對與流場的壓縮效應(yīng)，將會(huì)使風(fēng)輪前流場風(fēng)速降低。對比流線凸包型與光滑型風(fēng)輪發(fā)現(xiàn)，流線凸包型風(fēng)輪對流場的壓縮效應(yīng)更為明顯。對比風(fēng)輪后方流場的速度分布可以得出，流線凸包型風(fēng)輪對風(fēng)能的利用率更好。由于流線型凸包對葉片流場的改善，導(dǎo)致尾緣流線向葉尖方向偏轉(zhuǎn)，從而使葉尖處風(fēng)速加大。如圖7所示，流線凸包型風(fēng)力機(jī)的最高流速已超過18 m/s，低風(fēng)速區(qū)域明顯較大；相比之下光滑型的高流速區(qū)域分布范圍較大，最高流速低于凸包型風(fēng)輪。以上分析可得，流線凸包型風(fēng)力機(jī)增強(qiáng)了葉輪對風(fēng)能的利用。

3 氣動(dòng)載荷分析

對光滑型以及流線凸包型風(fēng)輪繞流場做對比分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪附加凸包后，會(huì)對風(fēng)力機(jī)繞流場產(chǎn)生劇烈影響。因此進(jìn)一步研究分析光滑型與凸包型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷變化規(guī)律。

3.1 阻力系數(shù)分析

圖9為兩種風(fēng)力機(jī)的阻力系數(shù)時(shí)域變化曲線，圖10為平均阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線。阻力系數(shù)取值時(shí)已消除初始條件對結(jié)果的影響，采用穩(wěn)定后3～5 s阻力系數(shù)來分析優(yōu)化后的風(fēng)輪減阻效果。

圖9 阻力系數(shù)時(shí)域變化曲線Fig.9 Time-domain variation curve of drag coefficient

圖10 平均阻力系數(shù)隨風(fēng)速變化Fig.10 Average drag coefficient

根據(jù)圖9和圖10可知，不同風(fēng)速下光滑型與流線凸包型風(fēng)輪的阻力系數(shù)相差較大。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，流線凸包型風(fēng)輪的阻力系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑型風(fēng)輪。隨著風(fēng)速的提升，流線凸包型的阻力系數(shù)大大減小。當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s時(shí)其阻力系數(shù)小于光滑型風(fēng)力機(jī)。隨著風(fēng)速的增加減阻效果也越來越明顯；凸包型風(fēng)輪有較好的減阻效果，但也增大了阻力系數(shù)的波動(dòng)。

阻力系數(shù)波動(dòng)與阻力系數(shù)平均值如表1所示。當(dāng)風(fēng)速為6、8、10、12、14 m/s時(shí)，兩種風(fēng)輪的阻力系數(shù)呈單調(diào)下降趨勢，其中流線凸包型風(fēng)輪的下降趨勢更加明顯。對比表1和圖10中兩種風(fēng)輪的平均阻力系數(shù)，明顯可以看出，當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s后，流線凸包型風(fēng)輪有明顯的減阻效果，8 m/s時(shí)的減阻率為11%，風(fēng)速增大后減阻率依次為17.13%、19.49%、19.53%，由此可見，14 m/s以后的減阻效果趨勢平緩，此凸包型風(fēng)輪的最大減阻率為20%左右。

表1 不同風(fēng)速下阻力系數(shù)特性Table 1 Darg coefficient characteristics with different wind speeds

流線凸包型風(fēng)輪減阻效果明顯的同時(shí)也增大了阻力系數(shù)波動(dòng)，如表1所示。當(dāng)風(fēng)速為6、8 m/s時(shí)，兩種風(fēng)輪阻力系數(shù)波動(dòng)量相差較小。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，光滑型風(fēng)輪阻力系數(shù)的波動(dòng)量呈下降趨勢，其波動(dòng)量隨風(fēng)速分別為：0.54%、0.56%、0.19%、0.29%、0.2%；而流線凸包型葉輪阻力系數(shù)的波動(dòng)量隨著風(fēng)速增加呈現(xiàn)上升趨勢，其分別為：0.5%、0.57%、0.61%、1.51%、1.33%；由此可見，隨著風(fēng)速增加，流線凸包型風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有很好的減阻效果，但也增大了阻力系數(shù)的波動(dòng)。

3.2 功率變化

圖11為兩種風(fēng)輪不同風(fēng)速下平均功率的分布規(guī)律，流線凸包型風(fēng)輪的輸出功率遠(yuǎn)大于光滑葉片的輸出功率。根據(jù)表2中的功率平均值可以得出，當(dāng)風(fēng)速為6、8 m/s時(shí)，光滑型與凸包型的平均功率分別為：126.846、338.272、202.685、432.620 W，其功率的增長率分別為166%、113%。由圖11看出，在此速度下流線凸包型風(fēng)輪功率增加最大。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)流線凸包型與光滑型葉輪的輸出功率變化趨勢基本相似，風(fēng)輪功率增長率隨風(fēng)速增加逐漸下降，如表2所示。由表2可知，10、12、14 m/s時(shí)，流線凸包型風(fēng)輪輸出功率的增長率為65%、44%、36%。

圖11 平均功率變化曲線Fig.11 Average power curve

表2 兩種葉片在不同風(fēng)速下的功率特性Table 2 Power characteristics with different wind speeds

表2為兩種風(fēng)輪在不同風(fēng)速下的功率特性。流線凸包型風(fēng)輪不但輸出功率遠(yuǎn)大于光滑型風(fēng)輪，其功率波動(dòng)比光滑型風(fēng)輪更為穩(wěn)定。流線凸包型風(fēng)輪的功率波動(dòng)較為穩(wěn)定，除了6 m/s工況時(shí)波動(dòng)較大，其余工況波動(dòng)量均為1%左右，其原因主要是6 m/s時(shí)流線凸包型風(fēng)輪減阻效果并不明顯，其運(yùn)行不穩(wěn)定性增加。

4 結(jié)論

(1)對比分析流線凸包型與光滑型風(fēng)輪的表面壓力分布，流線凸包型風(fēng)輪壓力面的負(fù)壓區(qū)域大于光滑型風(fēng)輪的負(fù)壓區(qū)域，葉片上的流動(dòng)分離點(diǎn)提前，使風(fēng)輪分離區(qū)域增加；流線型凸包結(jié)構(gòu)可以改善葉片流場，使尾緣流線向葉尖方向偏轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)了葉輪對風(fēng)能的利用。

(2)當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s時(shí)，流線凸包型風(fēng)力機(jī)有較明顯的減速效果。隨著風(fēng)速的增加，減阻效果越明顯，當(dāng)風(fēng)速大于14 m/s時(shí)，減阻率變化趨勢平緩；流線凸包型風(fēng)力機(jī)的阻力系數(shù)波動(dòng)區(qū)間明顯較大。

(3)流線凸包型風(fēng)輪的輸出功率遠(yuǎn)大于光滑風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速為6、8 m/s時(shí)，其功率的增長率分別為166%、113%，在該速度下流線凸包型風(fēng)輪功率增加最大；風(fēng)速為10、12、14 m/s時(shí)流線凸包型風(fēng)輪輸出功率的增長率為65%、44%、36%。

(4)流線型凸包結(jié)構(gòu)可以極大改善葉片近流場特性，增強(qiáng)風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率，同時(shí)流線凸包結(jié)構(gòu)在較高流速下有較好的減阻效果，大大提高了風(fēng)力機(jī)功率的輸出。