柯世堂,余　瑋 ,王同光

(1.南京航空航天大學 土木工程系,江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 江蘇省風力機設計高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 210016)

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停機狀態(tài)葉片位置對風力機體系氣動性能影響

柯世堂1,2,余瑋1,王同光2

(1.南京航空航天大學 土木工程系,江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 江蘇省風力機設計高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 210016)

摘要:為了研究停機狀態(tài)下葉片不同位置對風力機體系氣動性能的影響程度,以南京航空航天大學自主研發(fā)的3 MW水平軸風力機為研究對象,采用大渦模擬(LES)方法對停機狀態(tài)下葉片不同位置時的風力機體系氣動性能進行數(shù)值模擬.基于8種計算工況(由葉片旋轉全過程狀態(tài)下和塔架的相對位置確定)下的三維非定常數(shù)值模擬結果,研究風力機體系表面空間風壓分布特性及周圍流場的作用機理,總結出不同停機狀態(tài)下葉片位置對風力機氣動性能和干擾效應的影響規(guī)律.結果表明,葉片停機位置對風力機體系表面風壓分布和繞流特性的影響顯著,上游葉片的遮擋效應對塔架迎風面和側面產生顯著影響,隨著塔架與葉片相對位置的接近,塔架背風面尾渦區(qū)域變得細長且不規(guī)則.

關鍵詞：大型風力機體系；停機狀態(tài)；葉片位置；大渦模擬；氣動性能

水平軸風力發(fā)電機組是最有效的風能轉換裝置之一,主要由高聳塔架和輕柔葉片組成,屬于典型的風敏感結構[1-2].葉片的旋轉和繞流影響著塔架周圍流場,從而導致塔架周圍局部范圍內風速的急劇變化及流場特性的改變,特別是在高風速的停機狀態(tài)下,葉片的不同位置會引起塔架及葉片本身風壓分布的顯著差異.對停機狀態(tài)下風力機體系氣動載荷的準確預測具有重要的工程意義.

近年來,針對風力機塔架和葉片之間氣動性能的干擾作用研究,田仁斌等[3]對上風向風力機進行三維非定常數(shù)值模擬,計算得出塔架的阻礙作用會引起葉片載荷的急劇變化.張立茹等[4-5]基于大渦模擬方法研究葉片翼型對風力機流場特性的影響,結果表明波浪翼型和s型小翼使得風力機流場具有較好的流動特性.關鵬等[6]采用4種不同的湍流模型比較分析風力機不同來流速度下的三維湍流流場,結果表明,選擇不同的湍流模型對數(shù)值結果有明顯的影響,且SSTk-ω湍流模型較適合模擬風力機周圍的復雜流動.柯世堂等[7]基于諧波疊加法和改進的葉素-動量理論模擬了考慮旋轉和相干效應的風力發(fā)電結構脈動風場.田琳琳等[8-9]研究風力機尾流區(qū)域的流場特性,對風力機布局進行優(yōu)化,以提高整個風電場的效率.已有研究均沒有對停機狀態(tài)下葉片不同位置對風力機體系氣動性能的影響進行定性和定量研究.

本文以某3 MW水平軸三葉片風力機為研究對象,基于大渦模擬方法對停機狀態(tài)下葉片不同位置時的風力機體系氣動性能進行數(shù)值模擬,對比了8種不同計算工況(由葉片旋轉全過程狀態(tài)下和塔架的相對位置確定)下風力機體系的表面風荷載和繞流特性,總結出停機狀態(tài)下不同葉片位置對風力機氣動性能和干擾效應的影響規(guī)律.

1幾何模型及計算工況

以某3 MW水平軸三葉片風力機為例,詳細參數(shù)如下：塔架高度為85 m,塔頂半徑為2.0 m,塔底半徑為2.5 m,塔體為通長變厚度結構,頂壁厚30 mm,底壁厚60 mm；風輪切入風速為3.5 m/s,額定風速為12.5 m/s,切出風速為25 m/s,風輪傾角為5°；各葉片之間成120°夾角,沿周向均勻分布,葉片長度為44.5 m,沿翼展各葉素截面的詳細參數(shù)如表1所示.表中,p為葉素截面相對于輪轂的位置百分比,R為半徑,C為弦長,φ為入流角,β為葉素槳距角.機艙尺寸為12 m×4 m×4 m, 分別對應長、寬、高方向.根據(jù)以上設計參數(shù),依次建立葉片、機艙、輪轂等部件,通過布爾運算形成大型風力機塔架-葉片三維實體模型,如圖1所示.

表1　風力機葉片參數(shù)列表

根據(jù)葉片與塔架的相對位置,考慮到三葉片體系旋轉過程中存在的周期性,以葉片與豎直方向的夾角為0°作為初始狀態(tài),依次順時針旋轉15°,設置8個計算工況,具體位置如圖2所示.

圖1　大型風力機體系三維模型示意圖Fig.1　Three-dimensional model for large wind turbine

2數(shù)值模擬參數(shù)設置

2.1計算域及網格劃分

為了保證流動能夠充分發(fā)展,計算流域取12D×5D×5D(流向x×展向y×豎向z,其中D為葉片旋轉直徑).風力機置于距離計算域入口3D,從而保證尾流的充分流動[10-11].由于葉片表面扭曲復雜,采用混合網格離散形式,將整個計算域分為內、外兩個部分：核心區(qū)域采用四面體網格,對風力機周圍局部網格進行加密；外圍區(qū)域采用高質量六面體結構網格,網格總數(shù)為795萬,計算域及網格的具體劃分如圖3所示.

圖2　葉片不同位置風力機體系數(shù)值模擬計算工況示意圖Fig.2　Calculate working schematic diagram of numerical simulation for blade position of wind turbine system

2.2邊界條件及湍流模型

定義進口邊界條件為速度入口,其中風速剖面中地面粗糙指數(shù)為0.15,10 m參考高度處的基本風速為25 m/s,對應該風力機的切出風速.湍流強度剖面采用中國B類地貌對應的分布形式,通過用戶自定義函數(shù)實現(xiàn)上述入流邊界條件與FLUENT的連接，如圖4所示.圖中，v為風速，h為高度，I為湍流強度.定義出口邊界條件為壓力出口,相對壓力為0.計算域地面以及風力機表面采用無滑移壁面,計算域兩側面和頂面采用對稱邊界條件.

數(shù)值計算采用3D單精度、分離式求解器,由于風力機所處流場屬于非定常且擾流情況復雜,基于大渦模擬方法能夠對風力機復雜的流場進行更好的模擬[12-13].亞格子尺度選用Smagorinsky-Lilly模型,壓力速度耦合方程組求解采用SIMPLEC格式.該方法收斂性好,且適合時間步長較小的大渦模擬計算.壓力離散采用standard格式,動力離散采用Bounded Central Differencing格式,瞬態(tài)方程采用二階隱式,控制方程的計算殘差設置為10-6,計算時間步長定為0.001 s.

圖3　計算域和加密網格劃分示意圖Fig.3　Computational domain and grid generation style

3氣動性能分析

3.1數(shù)值對比驗證

為了驗證數(shù)值模擬的正確性,采用風力機氣動和結構設計國際通用軟件GH Bladed進行計算,并將結果與CFD數(shù)值計算結果進行對比.表2給出分別采用CFD和Bladed軟件計算得到的風力機典型測點表面壓力系數(shù).表中，Cpm、Cpf分別為平均壓力系數(shù)和脈動壓力系數(shù).可以看出,兩者的計算結果比較接近,最大誤差不超過12%,表明數(shù)值模擬結果是可靠的.

表2　風力機典型測點表面壓力系數(shù)列表

圖4　平均風速剖面及湍流強度分布Fig.4　Vertical profiles of wind speed and turbulence intensity

3.2平均風壓系數(shù)

圖5給出8個工況下的塔架壓力系數(shù)等值線圖.圖中，Cp為壓力系數(shù).可知,來流方向葉片對塔架沒有遮擋的工況下塔架迎風面中部均出現(xiàn)狹長的正壓分布帶,且壓力隨著高度的增加而逐漸增大,這是由于風速隨著高度呈指數(shù)規(guī)律增加,在風力機底部風速相對較小,因而風壓系數(shù)較??；塔架兩側及背風面呈現(xiàn)出負壓分布且兩側的負壓明顯大于塔架背風面.來流方向葉片對塔架出現(xiàn)不同程度遮擋的工況下,由于上游葉片對下游塔架的靜力干擾作用主要表現(xiàn)為遮擋效應,對塔架迎風面和側面產生顯著影響,塔架迎風面被遮擋區(qū)域呈現(xiàn)出負壓分布帶,且隨著被遮擋程度的增加,負壓減小,塔架兩側的負壓減小,對塔架背風面的影響較小.

圖5　不同工況下的塔架壓力系數(shù)等值線圖Fig.5　Tower pressure coefficient under different working condition

定義工況1中與豎直方向夾角為0°的葉片編號為1,順時針旋轉編號葉片2、葉片3.圖6分別給出不同計算工況下的3個葉片壓力系數(shù)等值線圖.可以看出,停機狀態(tài)下各工況下的葉片迎風面均為正壓區(qū),背風面均為負壓區(qū)；由于上風向風力機葉片在來流方向未受到阻礙,不同工況下各葉片迎風面正壓分布情況相接近,中間較邊緣壓力大；背風面負壓分布較均勻,葉片1和葉片3的壓力系數(shù)分布情況相似,在沿翼展方向約1/3處均出現(xiàn)負壓為-0.4的分布區(qū)域,葉尖部分負壓均在-0.8左右.葉片2與塔架的干擾作用明顯,呈現(xiàn)出與葉片1和葉片3不同的負壓分布,在工況5和工況6對應的2種葉片位置情況下,負壓分布分別在-0.6和-0.4左右,葉尖部分的壓力系數(shù)較葉片1和葉片3小,約為-0.6.

表3給出塔架和各葉片的整體體型系數(shù).可以發(fā)現(xiàn),塔架的整體體型系數(shù)均明顯小于各葉片的整體體型系數(shù),說明與圓截面塔架相比,葉片形狀復雜對風荷載更加敏感.此外,由于葉片對塔架產生遮擋效應,使得塔架迎風面被遮擋區(qū)域出現(xiàn)負壓分布,因而工況5和工況6中塔架整體體型系數(shù)呈現(xiàn)明顯減小的趨勢.各工況下葉片1和葉片3的整體型系數(shù)變化規(guī)律相似,隨著葉片與塔架相對位置的靠近,體型系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢.

圖6　不同工況下的葉片壓力系數(shù)分布云圖Fig.6　Blade pressure coefficient contour distribution under different working conditions

位置工況1工況2工況3工況4工況5工況6工況7工況8塔架0.5220.5240.5240.4360.2710.5490.4780.507葉片11.7521.7671.7301.7501.8021.8231.8041.808葉片21.7781.8471.8721.9271.6171.8611.8501.836葉片31.8161.8011.8251.8041.7901.7891.7491.767

3.3脈動風壓系數(shù)

根據(jù)風輪與塔架相對位置的不同,將塔架分為干擾區(qū)域(40～85 m)和未干擾區(qū)域(0～40 m).圖7給出塔架30和70 m高度處的迎風面壓力系數(shù)時程曲線.圖中，Ts為時間步數(shù).由圖7可知,在葉片與塔架未產生遮擋的工況下, 葉片干擾區(qū)域的塔架壓力系數(shù)與未干擾區(qū)域的壓力系數(shù)接近,當葉片對塔架產生不同程度的遮擋時,兩個區(qū)域的壓力系數(shù)產生明顯區(qū)別,且隨著遮擋程度的增加差值逐漸增大.

圖7　不同工況下的塔架迎風面壓力系數(shù)時程曲線Fig.7　Tower windward pressure coefficient time history curve under different conditions

表4、5分別給出不同工況下塔架迎風面和側面不同高度處平均風壓系數(shù)和均方差風壓系數(shù).可以看出：1)在葉片對塔架無遮擋的工況下,70 m高度的平均壓力系數(shù)均大于30 m高度處的數(shù)值；2)工況5葉片遮擋效應最顯著,使得迎風面和側面的平均壓力系數(shù)明顯減小,70 m高度處迎風面平均風壓為負值；3)葉片位置不同使得來流經葉片繞流對塔架周圍產生干擾程度不同,工況1的葉片2和葉片3處于z軸對稱狀態(tài),引起的繞流較對稱,因而該工況下均方差壓力系數(shù)較其余工況小,而工況5中葉片遮擋效應引起的葉片-塔架之間流動比較復雜,使得70 m處迎風面的均方差壓力系數(shù)明顯增大.

表6給出計算得到風力機體系各部件典型測點的風壓系數(shù)極值,其中峰值因子取為2.5.結果表明,停機狀態(tài)下葉片不同位置對于風力機不同部件的風荷載極值取值有明顯影響,建議在大型風力機的抗風設計時考慮最不利情況.

3.4渦量分布

圖8給出不同工況下風力機體系葉片和塔架氣流干擾顯著高度處的渦量Vor分布圖.可以發(fā)現(xiàn),在塔架和葉片的背風面均出現(xiàn)明顯的渦量增值區(qū)域,且隨著葉片位置的旋轉,葉片與塔架相對位置越接近時塔架背后形成的尾渦區(qū)域越明顯,說明兩者的相互影響非常明顯.葉片吸力面產生劇烈的分離流動,葉根渦引起的渦量范圍明顯大于塔架尾渦區(qū)域,在工況3和工況7兩種情況下未有明顯葉片截面的位置出現(xiàn)了大范圍渦量增值區(qū)域,即出現(xiàn)了明顯的葉尖渦.

表4　塔架不同工況下的平均風壓系數(shù)列表

表5　塔架不同工況下均方差系數(shù)列表

表6　風力機體系各部件典型測點的風壓系數(shù)峰值列表

圖8　塔架和葉片氣流干擾顯著高度處渦量分布圖Fig.8　Vorticity distribution of tower at height of typical interaction

圖9　工況1的各葉片渦量分布圖Fig.9　Vorticity distribution of blades under working condition 1

圖9給出工況1下各葉片的渦量分布.可以發(fā)現(xiàn),在風力機葉片尾流流場出現(xiàn)了明顯的葉尖渦和葉根渦,在葉根和葉尖之間出現(xiàn)了葉片尾緣渦；由于該工況下葉片1位于塔架上方未受到明顯擾動,引起的尾渦區(qū)域稍小于葉片2和葉片3.

圖10　風力機體系典型截面流線圖Fig.10　Velocity contour with streamlines of wind turbine

3.5流場分析

圖10給出風力機體系典型截面的速度流線圖.可以發(fā)現(xiàn),來流受到葉片的阻擋發(fā)生流動分離,且分流沿葉片表面附著流動,經過葉前緣和葉后緣部分來流在葉片背風面形成了渦旋,在靠近葉片表面形成了尺度較小的渦旋,這部分渦旋的流動脫落是葉片背風面形成負壓的主要原因.當塔架與葉片的距離足夠近時,渦旋在葉片背風面與塔架迎風面之間移動,使得工況5和工況6下塔架迎風面出現(xiàn)負壓.

從三葉片旋轉的位置來看,僅葉片2的旋轉經過了塔架,圖11給出葉片2不同旋轉位置的流線圖.

可以看出：1)來流沿機艙表面附著流動,各工況下機艙背后均有渦旋,這是形成機艙背風面負壓分布的主要原因；2)來流在葉片背風面接近葉根的地方均出現(xiàn)明顯的分流,葉片背風面主要表現(xiàn)為附著流動且在葉片表面形成尺度較小的附著渦,沿翼展方向流動分布較均勻,因而葉片背風面負壓分布較均勻；3)隨著葉片對塔架遮擋程度的增加,葉片-塔架之間的相互作用程度增加,并在后方形成了尺度較大的渦旋,往往形成渦旋的地方氣流分離較嚴重,脈動程度較大,這是造成干擾效應明顯工況下均方根壓力系數(shù)增大的原因； 4)工況5中葉片對來流起了阻礙作用,使得來流經葉片繞流至塔架中間形成渦旋,再附著塔架繞流至塔架背風面形成了較大渦旋,從而引起了吸力.

圖12給出風力機體系葉片和塔架氣流干擾顯著高度處的速度流線圖.可以看出,來流由葉片流經塔架時,形成了塔架周圍明顯的速度增大區(qū).近塔頂高度處葉片與塔架之間的相互干擾作用明顯, 均在塔架背部形成明顯的尾渦,并且隨著葉片與塔架之間的位置靠近程度增加,葉片周圍的流動變得更加復雜和不規(guī)律,塔架周圍流體加速越顯著；在塔架背后形成的尾渦區(qū)域變得細長,渦旋的形狀隨著葉片和塔架之間的干擾程度增加變得不規(guī)則.

圖11　葉片2不同工況下的速度云圖及流線圖Fig.11　Velocity contour distribution with streamlines of blade 2 under different working conditions

圖12　塔架和葉片氣流干擾顯著高度處速度云圖及流線圖Fig.12　Velocity contour distribution with streamlines between tower and blade at height of typical interaction

4結論

(1)停機狀態(tài)下葉片不同位置導致風力機體系表面風壓分布情況不同.當葉片位置遠離塔架時,塔架迎風面均出現(xiàn)狹長的正壓分布帶,兩側以及背風面出現(xiàn)負壓且兩側負壓大于背風面；隨著葉片和塔架產生不同程度的遮擋時,上游葉片的遮擋效應對塔架迎風面和側面產生顯著影響.

(2)當葉片對塔架產生完全遮擋時,氣流分離較嚴重從而形成渦旋,脈動程度較大,造成塔架干擾區(qū)域壓力系數(shù)均方差明顯增大,塔架迎風面負壓分布使得整體體型系數(shù)相對其他計算工況明顯變小.

(3)葉片不同位置的尾流流場均會出現(xiàn)明顯的葉尖渦和葉根渦,同時在葉根和葉尖之間產生了明顯的葉片尾緣渦,且隨著葉片與塔架相對位置的接近,塔架背后形成的尾渦區(qū)域變得細長,渦旋的形狀隨著葉片-塔架之間的干擾程度增加變得不規(guī)則.

(4)來流在葉片背風面接近葉根的地方均出現(xiàn)明顯的分流,葉片背風面主要表現(xiàn)為附著流動且在葉片表面形成尺度較小的附著渦,沿翼展方向流動分布較均勻.當葉片完全遮擋塔架時,來流經葉片繞流至塔架中間形成渦旋,再附著塔架繞流至塔架背風面形成了較大渦旋.

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收稿日期：2015-07-06.浙江大學學報(工學版)網址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家“973”重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2014CB046200)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(56XAA16018)；中國博士后特別資助項目(2015T80551).

作者簡介：柯世堂(1982-)，男，副教授，從事結構抗風與抗震研究.ORCID:0000-0003-0240-3578.E-mail: keshitang@163.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.002

中圖分類號：TK 83

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)07-1230-09

Impact for blade position on aerodynamic performance of wind turbine system under stopped status

KE Shi-tang1,2, YU Wei1, WANG Tong-guang2

(1.DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.JiangsuKeyLaboratoryofHi-TechResearchforWindTurbineDesign,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Abstract:The 3 MW wind turbine developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics was studied in order to analyze the impact for blade position on aerodynamic performance of wind turbine system under stopped status. Different blades positions on aerodynamic performance of wind turbine under stopped status were simulated by large eddy simulation. The space of wind pressure distribution characteristics and mechanism of flow field were analyzed based on three-dimensional unsteady numerical simulation results of eight calculation conditions which are determined by relative position between blades and tower in the whole process of blade rotation. The regularity of blade position effects on aerodynamic performance and interference effect under stopped status was summarized. Results showed that wind pressure distribution on the surface of wind turbine system and flow characteristics were significantly affected by the blade stopped position, and shade effect of blade significantly impacted tower leeward and sides. Trailing vortex area of tower leeward became thin and irregular with the approaching of relative position between tower and blade．

Key words:large wind turbine；stopped position；blade position；large eddy simulation；aerodynamic performance