大型風(fēng)力機(jī)變槳角度對(duì)尾流特性影響的研究

孫芳錦， 賀偉盼， 鄧富河， 盧 琛， 張大明

(1. 桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541006; 2. 廣西嵌入式技術(shù)與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541006;3. 桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0 引 言

在當(dāng)今世界，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源，隨著人口的增長(zhǎng)，生產(chǎn)力的發(fā)展，消耗越來(lái)越多越來(lái)越快，碳中和的呼聲越來(lái)越受關(guān)注?，F(xiàn)今世界，最讓人關(guān)心的問(wèn)題就是能源問(wèn)題，它已經(jīng)成為了當(dāng)今世界政治、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事等人類(lèi)領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)能源很可能會(huì)出現(xiàn)能源危機(jī)，即能源的供應(yīng)不足、儲(chǔ)量銳減，如果沒(méi)有可代替的其他能源，那么只能有意地控制能源的開(kāi)采和使用，進(jìn)而加劇市場(chǎng)供應(yīng)的不足，能源價(jià)格上漲，影響到社會(huì)運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源，具有顯著的環(huán)保意義，社會(huì)發(fā)展價(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此風(fēng)電的發(fā)明有著劃時(shí)代的意義。地球上的風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能大概為2×107MW，僅僅只占總量的百分之一左右，全球可以利用的水能能源總量約為可用風(fēng)能的十分之一，也大于固體燃料和液體燃料能量的總和[1]?？偭侩m大，但是真正被利用開(kāi)發(fā)得不多，想要安全、可靠、有計(jì)劃地使用好這些沒(méi)有被利用的風(fēng)能就需要更好地研究風(fēng)力機(jī)的各種受力特性以及尾流等。任年鑫等[2]采用RAN k -ω湍流模型，三維數(shù)值模型的有效性得到了很好地驗(yàn)證。但是缺少對(duì)風(fēng)力機(jī)變槳角度改變的研究。張亞光[3]使用AL-LES方法預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)尾流非定常流動(dòng)特性的可行性，但是大渦模擬不是很適用于風(fēng)力機(jī)的計(jì)算。劉海鋒等[4]運(yùn)用Fluent軟件，在11.4 m/s風(fēng)速下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為12.1 r/min，變槳角為0°時(shí)，使用流固耦合理論和滑移網(wǎng)格技術(shù)得出尾流特性的系統(tǒng)分析。是在特定的情況下得到的結(jié)果，不具有一般性。楊從新等[5]采用大渦模擬與致動(dòng)線(xiàn)模型相結(jié)合的數(shù)值方法，模擬了多臺(tái)NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)情況。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，大型風(fēng)力機(jī)一般是獨(dú)立存在的。劉智益[6]等提出串聯(lián)多風(fēng)力機(jī)以及錯(cuò)列雙風(fēng)力機(jī)的三維尾流模型，并通過(guò)修正尾流區(qū)域的膨脹系數(shù) k來(lái)驗(yàn)證模型正確性。前人一般都是研究在來(lái)流風(fēng)和風(fēng)力機(jī)之間沒(méi)有變槳角的情況下的尾流等氣動(dòng)特性，幾乎沒(méi)有研究過(guò)單臺(tái)大型風(fēng)力機(jī)變槳情況下的尾流特性，因此本文對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了探討。

在實(shí)際中，來(lái)流風(fēng)一般不會(huì)恰好與風(fēng)輪所在的截面成90°流入，本文首先用ANSYS-Fluent穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算功率和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比誤差均在20%以?xún)?nèi)，說(shuō)明了本文的準(zhǔn)確性。然后采用ANSYS-Fluent的瞬態(tài)計(jì)算，得出尾流的壓力和速度云圖，最后得出結(jié)論，分析原因。

1 理 論

1.1 CFD技術(shù)

CFD的全稱(chēng)是Computational Fluid Dynamics，中文稱(chēng)之為計(jì)算流體力學(xué)。CFD技術(shù)是基于流體力學(xué)和數(shù)值數(shù)學(xué)的理論基礎(chǔ)，再運(yùn)用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)將其計(jì)算結(jié)果可視化的產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)前人不斷地完善計(jì)算模型和多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，CFD技術(shù)可作為準(zhǔn)確的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，因具有成本低廉，可視化程度高，以及準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)被人所喜愛(ài)。學(xué)者們先后提出一系列的工程尾流模型，但是最適合本文的計(jì)算模型還是 k -ω SST模型。目前主流的通用求解器有 CFX、Star - CD、Fluent 、star - ccm +AUTODESK CFD flow-3D、Phoenics、Comsol，其中CFX、Star - CD、Fluent等[7]，能夠解決各類(lèi)流體問(wèn)題。本文本著節(jié)約成本和同時(shí)兼顧準(zhǔn)確性的原則選用了Fluent軟件對(duì)大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 k -ω SST湍流模型

由Menter[8]提出剪切應(yīng)力輸送(Shear-Stress Transport，簡(jiǎn)稱(chēng)SST)，該模型在近壁面自由流中具有較好的計(jì)算精度，因?yàn)槠渚C合了近壁面區(qū)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和在遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，在湍流粘性系數(shù)的定義中添加了湍流剪切應(yīng)力的輸送過(guò)程，并且增加了交叉擴(kuò)散項(xiàng)。在風(fēng)力機(jī)的計(jì)算中風(fēng)力機(jī)的翼型屬于低負(fù)荷的模型，僅僅在風(fēng)力機(jī)的輪轂位置處屬于鈍體繞流，因此適用于本文的風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算。該湍流模型的方程為：

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 建立模型

本文選用位于美國(guó)科羅拉多州大丹佛地區(qū)的可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）5 MW大型水平軸三葉片海上風(fēng)力機(jī)作為本文的計(jì)算實(shí)例，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片長(zhǎng)度為61.5 m，其輪轂直徑為3 m，風(fēng)力機(jī)的直徑為126 m。該5 MW風(fēng)力機(jī)使用變速變槳的功率控制方式，相對(duì)于功率較小風(fēng)力機(jī)，是具有代表性和實(shí)際應(yīng)用意義的大型海上風(fēng)力機(jī)，很有研究的意義。5 MW風(fēng)力機(jī)葉片各個(gè)截面幾何參數(shù)[9]見(jiàn)表1。

表1 NREL 5MW 海上大型風(fēng)力機(jī)葉片幾何參數(shù)

風(fēng)力機(jī)葉片的建模，首先根據(jù)表1在profili軟件中獲取到原始的翼型坐標(biāo)，然后向左平移后坐標(biāo)變換，根據(jù)安裝扭角在Excel中計(jì)算得出風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際坐標(biāo)點(diǎn)，為了使葉片可以更好地連成一個(gè)整體，將第一個(gè)截面為一個(gè)圓形的截面形狀，最后把所有的坐標(biāo)導(dǎo)入Solidworks中，最終建成的葉片的三維效果圖如圖1所示。

圖1 5 MW風(fēng)力機(jī)三維單葉片圖

在單個(gè)葉片的基礎(chǔ)上畫(huà)出一個(gè)3 m直徑的輪轂之后，再使用陣列功能得到三葉片的整體風(fēng)力機(jī)如圖2所示。

圖2 三維葉輪圖

2.2 確定計(jì)算域和劃分網(wǎng)格

為了使得風(fēng)力機(jī)的尾流流域得到充分精確計(jì)算，內(nèi)流域?yàn)樵O(shè)置為一個(gè)圓盤(pán)形狀的旋轉(zhuǎn)域，尺寸為直徑140 m，前后內(nèi)流域壁面到風(fēng)輪中心基準(zhǔn)面距離為10 m的圓柱，將外流域設(shè)置為一個(gè)5D×5D×12.5D（D為風(fēng)力機(jī)直徑126 m，下文中均以D表示風(fēng)力機(jī)直徑）的長(zhǎng)方體計(jì)算域，其中風(fēng)力機(jī)所在基準(zhǔn)截面到進(jìn)口面的距離為，出口面距離風(fēng)輪基準(zhǔn)面，風(fēng)輪中心到上下左右壁面的距離為。由于直接計(jì)算原尺寸的風(fēng)力機(jī)模型，風(fēng)場(chǎng)過(guò)大，建模困難，因此本文采用縮小為原來(lái)的模型來(lái)計(jì)算。內(nèi)外流域圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)外流域圖

使用 A NSYS-ICEM劃分網(wǎng)格，風(fēng)力機(jī)計(jì)算域整體采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中內(nèi)流域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外流域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的劃分是決定計(jì)算準(zhǔn)確的最重要的因素，為使得計(jì)算更加精準(zhǔn)，需要在外流域和風(fēng)力機(jī)邊界層加密網(wǎng)格。最終的網(wǎng)格數(shù)目為三百多萬(wàn)個(gè)如圖4所示。

圖4 流域混合結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

2.3 功率驗(yàn)證

將畫(huà)好的網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSYS-FLUENT中運(yùn)算，計(jì)算的參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)定輸入，選擇SST湍流模型，SIMPLE算法，穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。

查閱資料[9]，可以獲取在不同的來(lái)流風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速、變槳角度和功率，選取了4個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。風(fēng)速為11.4 m/s的時(shí)候?yàn)轭~定風(fēng)速，對(duì)應(yīng)的額定功率為5 MW，具體的參考數(shù)據(jù)和本文模擬數(shù)據(jù)對(duì)比如下表2。由于尺寸的縮放為原來(lái)的1/10，計(jì)算所得的扭矩也隨之變?yōu)榱嗽瓉?lái)的1 / 1000[10]。

表2 功率對(duì)照表

本文需要的功率計(jì)算換算公式如下：

在Fluent中只能計(jì)算出力矩的大小，因此本文采取以下的方法[11]將力矩轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機(jī)的輸出功率：

大量的，而且具有一定重復(fù)性的精準(zhǔn)良好數(shù)值計(jì)算結(jié)果均證明FLUENT計(jì)算的正確性，數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差均在20%以?xún)?nèi)，并且越接近額定風(fēng)速誤差越小，整體都是功率偏大的，可能是由于網(wǎng)格質(zhì)量導(dǎo)致的。表明了數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性和正確性。因此在接下來(lái)的案例分析中其他的參數(shù)不變的前提之下，將穩(wěn)態(tài)改為瞬態(tài)。

3 大型風(fēng)力機(jī)變槳角度對(duì)尾流特性影響分析

3.1 計(jì)算實(shí)例

為了使得本文的研究更具備實(shí)際性，因此研究在變槳角情況下的風(fēng)力機(jī)的尾流該情況下空氣流經(jīng)風(fēng)力機(jī)之后會(huì)產(chǎn)生大面積的分離，這種情況下壓差阻力占主導(dǎo)地位，S-A模型是從翼型繞流的航空領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的，通過(guò)對(duì)渦粘性系數(shù)修正的方法來(lái)適應(yīng)不同區(qū)域的流動(dòng)，雖然計(jì)算的速度較快，但是不適合用的分離流動(dòng)的具有變槳角的風(fēng)力機(jī)計(jì)算中。同樣的用大渦模擬的計(jì)算結(jié)果不如RANS精準(zhǔn)，因此選用基于SST的k-ω模型進(jìn)行計(jì)算分析。

變槳角如圖5所示，定義為來(lái)流風(fēng)與風(fēng)力機(jī)基準(zhǔn)面的法線(xiàn)夾角。

圖5 變槳角示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

用縮比尺寸模型可以解決建模過(guò)程中計(jì)算域太大的問(wèn)題，用縮比模型CFD計(jì)算的尾流與實(shí)際的尺寸實(shí)驗(yàn)尾流數(shù)據(jù)相差不大[12]。

計(jì)算使用瞬態(tài)計(jì)算，重新劃分具有變槳角的風(fēng)力機(jī)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目大概四百多萬(wàn)，變槳角環(huán)境下的內(nèi)外流域網(wǎng)格劃分圖如圖6所示。計(jì)算模型選擇：SST，解決方案中的方法選用SIMPLE，梯度為L(zhǎng)east Squares Cell Based；梯度、壓力、動(dòng)量、湍流動(dòng)能、比耗散率以及瞬態(tài)離散方案均選用二階計(jì)算。選擇混合初始化，在運(yùn)行計(jì)算中，計(jì)算類(lèi)型為Fixed，時(shí)間步長(zhǎng)為：0.01 s，最大迭代步數(shù)為20。

圖6 21.18°變槳角時(shí)內(nèi)外流網(wǎng)格劃分圖

3.3 大型風(fēng)力機(jī)變槳角對(duì)尾流特性影響分析

3.3.1 速度壓力速度云圖整體分析

根據(jù)NREL實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作數(shù)據(jù)，本文選取三個(gè)工況分別對(duì)應(yīng)的來(lái)流風(fēng)速為23 m/s,18 m/s, 13 m/s對(duì)應(yīng)的變槳角度分別為21.18°，14.92°，6.60°進(jìn)行尾流分析，具體如表3所示。

表3 來(lái)流風(fēng)速和變槳角度對(duì)照表

如圖7～圖9所示可以得出：隨著變槳角的增大和來(lái)流風(fēng)速的增加，旋轉(zhuǎn)域前后的風(fēng)速分層變得明顯，且風(fēng)力機(jī)的尾流影響的距離越遠(yuǎn)；其中工況一的尾流可以到達(dá)距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)域中心的10D之外，三個(gè)工況共同的特點(diǎn)就是尾流均在4D左右就開(kāi)始明顯變?nèi)?，并且在旋轉(zhuǎn)域周?chē)娘L(fēng)速變化均較劇烈。最后，三個(gè)工況在旋轉(zhuǎn)域的前面2D和旋轉(zhuǎn)域的后面3D之間的尾流較為對(duì)稱(chēng)?？赡苁沁M(jìn)口處的空氣進(jìn)入后遇到具有粘性的風(fēng)力機(jī)葉片之后從一開(kāi)始的無(wú)旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的流體微團(tuán)產(chǎn)生了剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 工況一速度云圖（23 m/s, 21.18°）

圖8 工況二速度云圖（18 m/s, 14.92°）

圖9 工況三速度云圖（13 m/s, 6.60°）

3.3.2 工況一旋轉(zhuǎn)域速度壓力云圖分析

工況一的尾流比較明顯，因此對(duì)其進(jìn)一步分析速度和壓力云圖，其來(lái)流風(fēng)為23 m/s，變槳角度為21.18°。

如圖10～圖13所示，在速度云圖中可以獲知旋轉(zhuǎn)域中的風(fēng)力機(jī)葉片處的空氣流速明顯低于其他處，有著較為清晰的葉片輪廓，背面葉片輪廓比正面更加明顯，可能是由于葉片背風(fēng)面邊界層的厚度較大，使得粘性區(qū)域也增大；由于輪轂處屬于鈍體繞流所以背面中心點(diǎn)處風(fēng)速較低；變槳風(fēng)使得旋轉(zhuǎn)域的風(fēng)速一邊高一邊低，可能是由于傾斜的葉輪對(duì)空氣具有一定的粘性切割作用，將來(lái)流風(fēng)大體分成兩塊風(fēng)速區(qū)，最終呈現(xiàn)出圖中效果。

圖10 旋轉(zhuǎn)域正面速度云圖

圖11 旋轉(zhuǎn)域背面速度云圖

圖12 旋轉(zhuǎn)域正面壓力云圖

圖13 旋轉(zhuǎn)域背面壓力云圖

在壓力云圖中風(fēng)力機(jī)的輪廓已經(jīng)幾乎看不到了，在風(fēng)力機(jī)周?chē)鷼鈮罕容^高，沒(méi)有風(fēng)力機(jī)葉片的形狀了，壓力圖較為發(fā)散，旋轉(zhuǎn)域的周?chē)嬖诘蛪轰鰷u，正面的壓力明顯比背面的要高?？赡苁怯捎谟L(fēng)面阻力為摩擦阻力和壓差阻力之和，從而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)域正面壓力較大。在背風(fēng)面可能是由于邊界層是分離的，使得粘性剪切力很小，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)域背面壓力較小。

3.3.3 截面面云圖分析

下列各圖風(fēng)力機(jī)所在基準(zhǔn)面后的速度云圖，在6D距離之后的速度均為23 m/s，并無(wú)分析的價(jià)值，因此不再這里概述。

如圖14～圖19所示，由上述的速度云圖可以得知，隨著到風(fēng)力機(jī)的距離增加，空氣的流速越來(lái)越接近來(lái)流風(fēng)速，受到風(fēng)力機(jī)的影響越來(lái)越弱。在近尾流區(qū)（1D～2D）中風(fēng)速受到風(fēng)力機(jī)的影響風(fēng)速十分紊亂，都是大致為一個(gè)矩形的高風(fēng)速包圍著不規(guī)則的低風(fēng)速區(qū)，在3D～4D距離處，風(fēng)力機(jī)的正后方還能呈現(xiàn)出一定區(qū)域的高速區(qū)，在左側(cè)方向都有一定的高速區(qū)域。在遠(yuǎn)尾流區(qū)（5D～6D）處風(fēng)速的差別變得非常小，6D之后的風(fēng)速已經(jīng)和來(lái)流風(fēng)速一樣，這也進(jìn)一步證明了計(jì)算域足夠大，計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。由于受到變槳風(fēng)的作用，左邊的風(fēng)速均比右邊要高，并且越靠近風(fēng)力機(jī)越明顯。風(fēng)力機(jī)后面的空氣一開(kāi)始十分紊亂，當(dāng)4D距離處達(dá)到臨界點(diǎn)，空氣的流速開(kāi)始越來(lái)越趨近于來(lái)流風(fēng)速。

圖14 1D速度云圖

圖15 2D速度云圖

圖16 3D速度云圖

圖17 4D速度云圖

圖18 5D速度云圖

圖19 6D速度云圖

3.3.4 截面壓力云圖分析

如圖20～圖23可得，在1D～2D距離時(shí)，氣壓比較大，受到風(fēng)力機(jī)尾流影響明顯，1D處大致為一較大的圓形的低壓漩渦，由于變槳風(fēng)的作用，左邊伴隨有兩個(gè)較小的高壓區(qū)域；2D處氣旋有一分為二的趨勢(shì)，存在著高壓漩渦和低壓漩渦，可能是輪轂處的鈍體繞流引起的高壓漩渦，低壓漩渦可能是由于不平衡的壓差力造成的；在3D處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此處的風(fēng)壓的差值開(kāi)始變小，層次感開(kāi)始清晰，風(fēng)力機(jī)的尾流影響在此處開(kāi)始明顯減弱。

圖20 1D壓力云圖

圖21 2D壓力云圖

圖22 3D壓力云圖

圖23 9D壓力云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

1） 隨著變槳角和來(lái)流風(fēng)速的增加，風(fēng)力機(jī)的尾流影響的距離越遠(yuǎn)，尾流均在4D左右就開(kāi)始明顯變?nèi)?，并且在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)域周?chē)娘L(fēng)速變化均較劇烈和對(duì)稱(chēng)。建議在大型風(fēng)力機(jī)工作時(shí)設(shè)定的安全距離為4D以上，并且在風(fēng)速較大時(shí)風(fēng)力機(jī)自動(dòng)停止工作。

2） 在旋轉(zhuǎn)域中風(fēng)力機(jī)葉片背風(fēng)面的層流邊界層的厚度較大，從而使得粘性區(qū)域也較大，這可能使得速度云圖中有著較為清晰的葉輪輪廓；但是壓力云圖中壓力差較小形成不出葉輪輪廓，并且正面的空氣流速和空氣壓 力均大于背面。建議在工程中加強(qiáng)風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)處的材料強(qiáng)度。

3） 受到變槳的作用，外流域尾流中左側(cè)（-Z方向）的空氣流速和空氣壓力較右側(cè)（+Z方向）要高一些，并且距離風(fēng)力機(jī)越遠(yuǎn)越趨近來(lái)流風(fēng)風(fēng)速同時(shí)空氣流速差也越來(lái)越小。