張宏洋，盛會霞，張　玲

(1.國電科技環(huán)保集團股份有限公司 采購與物資管理部，北京100039；2.鄭州燃氣發(fā)電有限公司，鄭州 450010；3.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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風剪切對水平軸風力機氣動性能影響的研究

張宏洋1，盛會霞2，張玲3

(1.國電科技環(huán)保集團股份有限公司 采購與物資管理部，北京100039；2.鄭州燃氣發(fā)電有限公司，鄭州 450010；3.東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

摘要：采用SSTk-ω模型，分別對均勻風和剪切風下1.2 MW水平軸風力機在11.26m/s來流風速下的繞流流場進行三維數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析均勻來流和動態(tài)風剪切來流對風力機輸出功率的影響以及風剪切對風力機三維流場的氣動性能影響。研究結(jié)果表明：均勻風下，風力機功率計算值與設(shè)計值吻合較好；風力機受到風剪切的影響時，能導致葉片表面的載荷和性能發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；風輪；風剪切；氣動性能；數(shù)值模擬

近年來，隨著風能理論以及風電技術(shù)的日益成熟，各個國家開始引入大型風力機進行發(fā)電[1]。但風力機進入工作狀態(tài)時面臨的環(huán)境非常復雜，風的湍流特性、偏航入流、塔影效應(yīng)、風剪切、地球引力以及尾流等都會對風力機的性能產(chǎn)生影響[2-3]。自從Lanchester和Betz計算出風力機可利用風能的最大利用率為59%，又經(jīng)過多年對風力機不斷的研究[4-5]，一直到1935年才有實質(zhì)性突破，進而由Glauert建立了葉素動量理論(Blade Element Momentum Theory，BEM)[6]，成為風力機設(shè)計程序遵循的理論基礎(chǔ)。到目前為止，人們對于風力機最基本的氣動性能還沒有研究透徹，急需對理論進行進一步探索和完善[7-9]。

對風力機進行實驗時，整機實驗非常有難度[10]。國內(nèi)外的研究學者想到了運用計算機解決問題，于是CFD[11]成為了最主要的研究方法。張涵信和賀立新[12]采用了有限體積法，在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元上進行離散，同時利用同位非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行了壓力的加權(quán)修正，模擬采用了Navier-Stokes方程及k-ε方程，給出了在不同攻角條件下，孤立翼型的分離流結(jié)構(gòu)以及表面的壓力分布情況。田琳琳[13]將風輪簡化為致動盤，采用CFD方法對風電場內(nèi)的9臺呈梅花型布置的風力機進行數(shù)值模擬，得到尾流流場的速度分布及下游尾流區(qū)的湍流強度分布，對于大型風電場的微觀選址和風力機布置方式提供了理論依據(jù)。李曉冰[14]將Jensen簡單地形尾流模型和復雜地形的尾流模型相結(jié)合，采用微粒群優(yōu)化算法計算每個風力機的來流風速來反映各個風力機組間的相互繞流及影響，最終對風電場中的風力機進行優(yōu)化排布。陳嚴[15]根據(jù)勢流理論建立了動態(tài)尾流氣動模型，在傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程中的尾流模型上做了改進，更能真實地反映尾流流場的低速區(qū)和尾流誘導速度場，便于對風力機的氣動性進行分析。

在對風力機的模擬研究中，風剪切的研究比較少。對于實際運行的風力機，運行環(huán)境非常復雜，具有很強的時變性。由于地面邊界層的作用風速沿高度增大，并且還會受到上游風力機尾流的影響，在鉛錘方向上，平均風速隨高度的增加而增加，一般在離地面300 m-500 m后風速才會趨于常數(shù)。在風力機葉片外形的氣動優(yōu)化設(shè)計過程中，目前均不考慮風剪切的影響，已有的各種設(shè)計方法[16]都是采用風輪中心處的風速作為單一的設(shè)計風速。這種做法對于小功率的風力機而言是可行的，因為其直徑較小，風速在直徑尺寸內(nèi)變化不大，而對于大功率的風力機，就有必要考慮風速在垂直方向上的變化問題，即風剪切問題[17]。圖1示意了輪轂風速為11.26 m/s時，計算域進口邊界上的切變風速分布。

圖1 風速隨高度變化的曲線圖2 風力機的流場區(qū)域

風輪是風力發(fā)電機的核心部件，為了更好的利用風能，風輪直徑不斷增加，風輪的垂直高度、風力機所處的地理位置及地形地貌和風輪與塔架的相互作用等因素造成了氣流的不均勻性[18]。因此，考慮風剪切影響的風力機整機數(shù)值模擬對了解和改進風力機氣動性能具有實際意義。

本文運用CFD的方法構(gòu)建風力機三維數(shù)值流場，最大程度的接近風力機實際運行環(huán)境，模擬風力機在風剪切條件下的三維流動情況。

1模型的建立

1.1幾何模型

采用Solidworks和Gambit軟件對風力機進行三維建模及網(wǎng)格劃分，風力機額定功率為1.2 MW，其葉輪直徑D=70 m，計算區(qū)域主要由半徑為5 D、長為13 D的半圓柱體構(gòu)成。風力機塔架高為80 m，距流場進口邊界為3 D，流場區(qū)域具體尺寸如圖2所示。風力機的進口風速為11.26 m/s，風輪額定轉(zhuǎn)速為18.44 rpm。

1.2數(shù)學模型的建立

在本文中，由于來流風速和葉輪的旋轉(zhuǎn)速度較低，視空氣為不可壓縮流體。本文基于不可壓縮流動三維定常雷諾時均N-S方程(RANS)進行了數(shù)值模擬，采用Segregatd隱式求解器，紊流模型使用SSTk-ω模型，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風格式。

控制方程通用形式：

(1)

式中：φ為通用變量；u為速度；ρ為流質(zhì)密度；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

1.3風剪切模型

地面上空氣的流動會被地球表面的摩擦阻力(邊界層效應(yīng))所阻礙，風速隨高度增加的比率取決于地面的粗糙度[19]。風力機由于受到風剪切的影響，風速值在整個風輪掃掠面上是處處不同的。隨著風力機容量增大，其塔架越來越高，葉片半徑越來越大，這種情況下風剪切對風力機的影響也愈發(fā)顯著[20]。風速隨高度變化服從普朗特經(jīng)驗公式，風剪切采用的對數(shù)模型為

(2)

式中：V(ZR)以及V(Z)分別為高度ZR與高度Z處的風速；Z0為風剪切系數(shù)，其值與地面粗糙度有關(guān)，它也反映風速隨高度變化的快慢程度，通常數(shù)值在0.1-0.5之間，本文選擇0.2。

2網(wǎng)格劃分及邊界條件處理

2.1網(wǎng)格劃分

整個流場區(qū)域分為靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動區(qū)域，風力機葉輪為轉(zhuǎn)動區(qū)域，其它為靜止區(qū)域，為了平衡葉片扭曲性對計算結(jié)果準確的影響，葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用Size function函數(shù)法劃分網(wǎng)格，同時對葉片表面及其周圍進行網(wǎng)格加密處理，如圖3所示。其它區(qū)域采用混合型網(wǎng)格進行劃分，總的網(wǎng)格數(shù)約為110萬，如圖4所示。

圖3 葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域網(wǎng)格劃分圖4 流場劃分

2.2邊界條件設(shè)定

入口邊界為速度進口：均勻風速時,來流風速為u=u∞=11.2 6m/s；剪切風速來流是利用FLUENT提供的UDF(user-defined functions)編程與FLUENT作接口實現(xiàn)三維數(shù)值模擬；出口邊界為自由出流。

葉片和輪轂：選wall為邊界，以y軸為旋轉(zhuǎn)軸，采用無滑移壁面邊界條件，轉(zhuǎn)速N=18.44 r/min；

機艙和塔架：選wall為邊界，壁面無滑移；

其余面：旋轉(zhuǎn)小區(qū)域的外表面及其余內(nèi)表面設(shè)置interior。

3數(shù)值模擬的計算結(jié)果及分析

3.1風力機的輸出功率

根據(jù)Fluent模擬計算得到葉片及輪轂對y坐標軸的轉(zhuǎn)矩，再依據(jù)公式(3)求出輸出功率：

P=T×N×2π×z/60 ，

(3)

式中：P為輸出功率，W；T為轉(zhuǎn)矩，N·m；N為葉輪的轉(zhuǎn)速，rpm；Z為葉片數(shù)。

根據(jù)公式(4)將得到的輸出功率與額定功率比較，得到相對誤差，并根據(jù)相對誤差的大小分析風剪切對風力機輸出功率的影響。

(4)

式中：r為相對誤差；P0為設(shè)計功率(1.2MW)；P為輸出功率。

表1　整機葉片及輪轂對各個坐標軸的轉(zhuǎn)矩

從表1可知：在均勻風下，3個葉片和輪轂對Y軸的總轉(zhuǎn)矩為607 580 N·m，經(jīng)計算得到整機的輸出功率為1172 661.8W，相對誤差為2.28%。這是由于葉片與塔架間的相互干擾以及塔架對流場的影響，導致整機的輸出功率減少。

在剪切風下3個葉片和輪轂對Y軸的總轉(zhuǎn)矩為572 199.5 N·m，經(jīng)過計算得到整機的輸出功率為1 104 375.552 W，相對誤差為7.97%。由表1得出的功率跟設(shè)計功率1.2 MV進行對比?？梢?，均勻來流的情況下風力機的輸出功率最接近設(shè)計功率，剪切風條件下計算結(jié)果明顯小于設(shè)計值。這是由于風力機風輪直徑較大，垂直高度風速給風輪帶來的不均勻性將會給計算結(jié)果帶來較大的誤差；并且由于旋轉(zhuǎn)上游葉片發(fā)生渦脫落，導致旋轉(zhuǎn)下游葉片周圍流場環(huán)境發(fā)生改變，也造成其輸出功率的減小。因此，在進行大功率風力機數(shù)值計算時，應(yīng)考慮風的剪切效應(yīng)。

3.2剪切風條件下來流對三維水平軸風力機尾流的影響

經(jīng)過Fluent數(shù)值模擬，輸出計算結(jié)果，利用后處理軟件Tecplot對計算結(jié)果進行分析處理，如圖5所示。

圖5　風力機尾流速度云圖

由圖5中可以看出，由于地面粗糙度的影響，風力機整體計算區(qū)域的風速出現(xiàn)層間差別。剪切風與剪切風經(jīng)過風輪后的低速尾流，在距風輪一定距離處混合。同時，在上層高風速區(qū)的影響下，混合低速區(qū)逐漸變薄，最終風速分布趨于穩(wěn)定。隨著高度的增加，風速梯度越來越小，風速切面也更趨于均勻，風剪切的作用也越小，可見適當增加塔架高度，可減少風剪切的影響。

3.3剪切風來流對三維水平軸風力機氣動性能的影響

風輪在動態(tài)來流的條件下，由于風剪切的影響，葉片在每個不同方位角處所承受的氣動力會不同。圖6為沿葉片徑向3個不同截面處軸向力隨方位角的變化情況，從圖中可以看出整個葉片的軸向力隨著方位角從0°到180°的變化逐漸變小，且靠近葉尖處截面的軸向力變化梯度較大，隨著方位角從180°到360°的逐漸增大，葉片軸向力逐漸增大，其中在方位角為180°處，整個葉片的軸向力為最小值。

圖6 風剪切來流下軸向力在不同截面處隨方位角的變化圖7 風剪切來流下攻角在不同方位角時隨截面的變化

圖7為在4個不同方位角的情況下，沿葉片徑向不同截面位置的攻角變化。葉片在四個不同方位角下，徑向截面攻角的變化趨勢相同，沿葉根到葉尖方向，攻角呈現(xiàn)先平緩增大后減小的趨勢，在葉片40%處達到最大。葉尖處攻角最小，這可能由葉尖損失所引起。方位角為270°時，整個葉片的攻角比其它三個方位角處葉片攻角大。

4結(jié)論

本文對1.2 MW水平軸風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)風輪流場進行了數(shù)值模擬，通過Fluent提供的用戶自定義函數(shù)(user-definde function，UDF)定義了數(shù)值模擬的初始條件和邊界條件，完成了風力機氣動性能計算，得出以下結(jié)論：

(1)通過均勻風下的輸出功率和剪切風下的輸出功率與風力機設(shè)計功率1.2 MW進行對比，可以看出，由于風剪切的存在，使風力機獲得的轉(zhuǎn)矩減少，風力機的功率變小，與設(shè)計值相比，誤差比均勻風下的輸出功率更大，說明風力機在氣動性設(shè)計時要考慮風剪切的影響；

(2)在剪切風下風輪葉片在不同方位角處的軸向力有所不同，且在同一方位角處不同徑向截面處的軸向力也不相同，越靠近葉尖處軸向力隨方位角的改變而變化越大；

(3)剪切風下葉片徑向不同截面位置處的攻角不同，沿葉根到葉尖方向，攻角呈現(xiàn)先平緩增大后減小的趨勢，在葉片40%處達到最大。

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The Studies of the Influence of Wind Shear on Wind Turbine Aerodynamic

ZHANG Hong-yang1，SHENG Hui-xia2，ZHANG Ling3

(1.Department of Purchasing and Matericals Management，GD Technology & Environment Group Corporation Limited，Beijing 100039；2.Zhengzhou Gas Power Generation Co.，LTD，Zhengzhou 450010；3.Energy Resoure and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：SSTk-ω is applied for an three-dimensional numerical simulation of flow field around a 1.2MW horizontal axis wind turbine with 11.26m/s flow velocity that in uniform wind and wind shear environment respectively.According to simulation results，the paper analyzes the influence of uniform incoming wind and dynamic wind shear on output power of wind turbine，and the infwence of wind shear on its aerodynamic performance of three dimensional flowflied of wind turbine.It is found that the calculated value of wind turbine power is mostly consistent with the design one in uniform wind environment；The wind shear changes the load and performance of blade surfare while uind turbine sutfers.

Key words：Wind Turbine；Wind Wheel；Wind Shear；Aerodynamic Performance；Numerical Simulation

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：張宏洋(1978-)，男，山東省萊陽市人，國電科技環(huán)保集團股份有限公司采購與物資管理部工程師，碩士，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù).

文章編號：1005-2992(2016)02-0033-06

中圖分類號：TK124

文獻標識碼：A