單麗君，劉遠(yuǎn)

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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3MW風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性

單麗君，劉遠(yuǎn)

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

建立3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維內(nèi)、外流場(chǎng)模型，運(yùn)用流體仿真軟件Fluent仿真分析在隨機(jī)風(fēng)速下，葉片周圍氣動(dòng)流場(chǎng)狀態(tài).對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比分析葉片截面和葉片表面的流體流態(tài)，發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)風(fēng)速作用下優(yōu)化后的葉片的失速程度有明顯的降低，表明優(yōu)化后的葉片氣動(dòng)性能顯著提高.為分析葉片優(yōu)化后風(fēng)力機(jī)的功率特性，采用動(dòng)力學(xué)分析軟件Simpack建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)模型，聯(lián)合TurbSim生成風(fēng)文件對(duì)葉片加載，仿真分析得到風(fēng)輪的功率，分析結(jié)果表明風(fēng)力機(jī)功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

葉片氣動(dòng)特性；三維流場(chǎng)；功率

0 引言

葉片是風(fēng)力機(jī)組中最關(guān)鍵的部件之一，其良好的氣動(dòng)性能是葉片風(fēng)能有效利用的保證[1]，通過(guò)氣動(dòng)性能分析，能比較準(zhǔn)確地模擬風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)狀況，為葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).而葉片周圍旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)是三維的，只對(duì)葉片做二維翼型的氣動(dòng)性能模擬，不能精確分析葉片的流動(dòng)氣動(dòng)流場(chǎng)情況.

本文運(yùn)用流體軟件Fluent對(duì)葉片進(jìn)行仿真，觀察葉片周圍流體流態(tài)，并對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使葉片周圍流場(chǎng)分布合理，并利用動(dòng)力學(xué)分析軟件Simpack建立風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型，聯(lián)合TurbSim生成的風(fēng)文件對(duì)葉片進(jìn)行加載，結(jié)果表明利用Fluent仿真是可信的，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的風(fēng)輪的功率滿足設(shè)計(jì)功率.

1 葉片流場(chǎng)仿真分析

1.1 流場(chǎng)計(jì)算域的劃分

采用HyperMesh建立葉片的流場(chǎng)模型.將流場(chǎng)的計(jì)算域劃分成內(nèi)、外流域兩部分[2]，如圖1所示.風(fēng)輪半徑為R，計(jì)算域的具體尺寸為: 內(nèi)流域半徑R1=1.5R；外流域半R2=3R；上風(fēng)向長(zhǎng)度L入=5R；下風(fēng)向的長(zhǎng)度L出=10R.

由于葉片是高速旋轉(zhuǎn)的，內(nèi)流域空氣流動(dòng)速度梯度大，對(duì)葉片流場(chǎng)流態(tài)影響明顯，而外流域影響較小，因此，需要對(duì)內(nèi)流域網(wǎng)格進(jìn)行較密的劃分，對(duì)外流域網(wǎng)格做較疏的劃分，這樣可以減少計(jì)算時(shí)間，避免資源浪費(fèi)，葉片流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖2所示.

1.2 邊界條件設(shè)定

根據(jù)3MW風(fēng)力機(jī)機(jī)組運(yùn)行工況，對(duì)流場(chǎng)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置:進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口；出口邊界設(shè)置為壓力出口；內(nèi)流域?yàn)樾D(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)軸為X軸，利用滑移網(wǎng)格，用右手定則確定方向；葉片壁面，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為0；外流域靜止.

1.3 葉片表面氣動(dòng)流場(chǎng)分析

來(lái)流風(fēng)速度分別設(shè)定為4 、8 、12 、18和25 m/s，5 種工況，葉片流場(chǎng)如圖3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示.

圖3 葉片表面流線圖

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速度為4 m/s時(shí)，即在切入工況下，由圖3(a)可知，葉片吸力面總體上有較好的二維流動(dòng).在靠近葉根部分，葉片的空氣流動(dòng)發(fā)生了局部分離，并且從葉根向葉中區(qū)域延伸，形成一條分離線，在葉根附近趨于葉片尾緣處，氣流流動(dòng)有明顯的三維漩渦.

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速度為8 m/s時(shí)，由圖3(b)可以看出，三維漩渦效應(yīng)由葉根尾緣附近移動(dòng)到葉根前緣附近；在r/R<47%部分，流場(chǎng)流態(tài)基本上呈現(xiàn)出完全分離的狀態(tài)，而在r/R=47%葉展處，形成一條分離線，且從葉中區(qū)向葉尖區(qū)域移動(dòng)，逐漸靠近尾緣，最后在葉尖附近與葉片尾緣重合.

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速度為12 m/s時(shí)，即額定來(lái)流工況，如圖3(c)所示，此時(shí)在r/R<80%部分，吸力面表面的流動(dòng)已經(jīng)完全分離，在r/R=80%葉展處，形成一條分離線，不斷沿葉尖方向延伸，在r/R=95%葉展處分離線與尾緣重合.

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速度為18 m/s時(shí)，如圖3(d)所示，在r/R<95%葉片表面發(fā)生完全分離，在r/R>95%葉展區(qū)域靠近葉片前緣處流體有少許的附著，在r/R=95%的葉展區(qū)域，形成一個(gè)小的漩渦.

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速度為25m/s時(shí)，在切出工況下，如圖3(e)所示，分離區(qū)域已經(jīng)發(fā)生在葉片的整個(gè)吸力面上，此時(shí)葉片表面的流動(dòng)情況復(fù)雜，失速現(xiàn)象嚴(yán)重.

由上述5種工況，可以看出，失速現(xiàn)象的發(fā)生是隨高度的增加，從葉根區(qū)域開始逐漸向葉尖方向延伸，且來(lái)流風(fēng)速越大，失速情況越嚴(yán)重.

切入工況時(shí)，分離流只發(fā)生在葉片中部區(qū)域以下，葉片中部以上至葉尖區(qū)域，還有完整的附著流，形成良好的二維流動(dòng)；從8 m/s開始，葉片中間部分也開始有分離產(chǎn)生，而葉根附近已經(jīng)有完全分離的跡象；12 和18 m/s時(shí)，完全分離逐漸向葉尖發(fā)展；25 m/s切出來(lái)流工況下，失速現(xiàn)象嚴(yán)重，分離流發(fā)生在整個(gè)葉片上.

1.4 葉片截面氣動(dòng)流場(chǎng)分析

葉片表面流線圖(圖3)雖然可以反應(yīng)出葉片表面二維流體流態(tài)，卻不能反應(yīng)出三維流場(chǎng)的狀態(tài)，因此，還需要分析葉片截面流體流態(tài)，以查看葉片表面流體流動(dòng)分離、附著及漩渦狀態(tài).設(shè)定來(lái)流風(fēng)速為4、8、12 、18和25 m/s，5種工況，葉片截面流場(chǎng)如圖4、6～ 9所示.

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為4 m/s，即在切入工況下，由圖4可知，分離渦出現(xiàn)在r/R=30%和r/R=47%兩個(gè)截面的吸力面尾緣處，其中r/R=47%截面的分離渦要比r/R=30%截面的分離渦大，在其他截面沒(méi)有明顯的分離渦存在.該結(jié)果與切入工況下，葉片表面流場(chǎng)分布，圖3(a)是一致的.

圖4 4 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

從二維翼型的理論分析，如式(1)所示，當(dāng)攻角超過(guò)失速攻角αs發(fā)生失速時(shí)，升力會(huì)隨著升力系數(shù)Cl的減小而上升，即翼型上方氣流分離程度降低，分離渦變小，失速現(xiàn)象減弱.

(1)

式中，F(xiàn)L為翼型所受升力；ρ為來(lái)流密度；c為翼型的弦長(zhǎng)；Cl為升力系數(shù).

理論上，Cl隨攻角α的變化如圖5所示，在失速區(qū)，升力系數(shù)隨公角的增大而減小.

圖5 升力系數(shù)與攻角的關(guān)系曲線

而在實(shí)際的繞流中，r/R=30%截面翼型的攻角大于r/R=47%截面翼型的攻角，而吸力面尾緣的分離渦卻比r/R=47%截面小，這是主要是由于在葉根區(qū)域葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起了失速延遲[3].

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為8 m/s，由圖6可知，在r/R=30%、r/R=47%、r/R=63%和r/R=80%四個(gè)截面吸力面尾緣附近均有分離渦存在.且從r/R=30%截面到r/R=47%截面，吸力面尾緣附近的分離渦逐漸變大，分離程度逐漸增加，到r/R=47%截面分離渦已經(jīng)發(fā)展到整個(gè)吸力面，并且截面呈現(xiàn)出雙分離渦狀態(tài).

圖6 8 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為12 m/s，即額定工況下，由圖7可知，選取的四個(gè)截面的分離程度加大，分離渦面積明顯增加.從r/R=30%截面到r/R=63%截面的分離渦都表現(xiàn)為雙渦狀態(tài).

圖7 12 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為18 m/s，由圖8可知，截面分離狀態(tài)繼續(xù)加大，在其它四個(gè)截面，分離渦已經(jīng)完全占據(jù)了葉片吸力面.

圖8 18 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為25m/s，即切出的工況下，由圖9可知，整個(gè)葉片吸力面均發(fā)生分離，葉片各截面已經(jīng)進(jìn)入完全失速狀態(tài).

圖9 25 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

1.5 葉片翼型優(yōu)化

通過(guò)對(duì)比上述葉片表面及截面的流體流態(tài)，可知在隨機(jī)風(fēng)速作用下葉片失速現(xiàn)象嚴(yán)重，不具有較好的氣動(dòng)特性,需要對(duì)翼型進(jìn)行優(yōu)化.

采用正交試驗(yàn)方法對(duì)翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取翼型的厚度所在弦長(zhǎng)的位置、前緣半徑、彎度三種因素.

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，實(shí)驗(yàn)因素水平一般以2～4為宜[4].本試驗(yàn)選用因素的水平數(shù)為3，以最大升力系數(shù)(yi)1，最大升助比(yi)2為評(píng)價(jià)指標(biāo).最后利用極差法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定因素的主次和最優(yōu)組合.如表1，表2所示為因素水平表和試驗(yàn)結(jié)果分析表.

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(2)

yi*為綜合評(píng)分，其表達(dá)式為：

(3)

(yi)1=max(cL)

(4)

(yi)2=max(cL/cD)

(5)

式中,λ1、λ2為升力系數(shù)、升阻比權(quán)值系數(shù).

1.6 優(yōu)化后葉片氣動(dòng)流場(chǎng)分析

來(lái)流風(fēng)速度分別設(shè)定為4、8、12 、18和25m/s，5 種工況，優(yōu)化后葉片流場(chǎng)如圖10(a)～(e)所示.由圖(a)～(c)可知，在風(fēng)速小于12 m/s即額定風(fēng)速條件下，只有在靠近葉根附近的區(qū)域，流線發(fā)生了沿著展向方向移動(dòng)，發(fā)生分離，在葉片其他部分，流線分布與弦線方向平行，空氣完全附著，葉片失速程度較優(yōu)化前明顯減弱，氣動(dòng)性能提高.隨著風(fēng)速逐漸增大到18、25 m/s，流動(dòng)分離線逐漸往葉尖方向擴(kuò)展，與優(yōu)化前相比沒(méi)有在整個(gè)葉片上發(fā)生嚴(yán)重失速.

圖10 優(yōu)化后葉片表面流場(chǎng)分布

圖11 優(yōu)化后12 m/s時(shí)四個(gè)截面的流場(chǎng)分布

與圖10(c)對(duì)應(yīng)，當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為12 m/s，即額定工況下，由圖11可知，分離渦出現(xiàn)在r/R=30%和r/R=47%兩個(gè)截面處，在其他截面沒(méi)有明顯的分離渦存在.表明風(fēng)力機(jī)葉片周圍空氣附著良好，優(yōu)化后的葉片失速程度明顯降低，具有良好的氣動(dòng)性能.

2 風(fēng)力機(jī)輸出功率特性分析

為研究?jī)?yōu)化后風(fēng)力機(jī)輸出功率變化，并驗(yàn)證fluent仿真的可靠性，在Simpack中分別建立葉片優(yōu)化前后整機(jī)模型，對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率特性進(jìn)行仿真分析， 運(yùn)用TurbSim模擬輪轂處平均風(fēng)速為4， 8， 12， 18和25 m/s的隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)， 生成風(fēng)文件.

Simpack通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)軟件AeroDyn，輸入風(fēng)場(chǎng)文件，生成力元[5]，完成對(duì)風(fēng)力機(jī)加載.

如圖12知，在額定風(fēng)速范圍之內(nèi)，隨著風(fēng)速V的增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率P也在增大.當(dāng)達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，優(yōu)化前風(fēng)力機(jī)輸出功率為2.4MW，優(yōu)化后機(jī)組輸出功率滿足設(shè)計(jì)要求，為3.1 MW.并且利用simpack軟件仿真出的風(fēng)力機(jī)功率與fluent中仿真得到的功率基本一致.

(a)優(yōu)化前

(b) 優(yōu)化后

3 結(jié)論

(1)以一種3MW翼型葉片為基礎(chǔ)，建立葉片幾何模型， 利用流體仿真軟件Fluent分析葉片在

隨機(jī)風(fēng)速條件下的氣動(dòng)特性，得到了葉片周圍流場(chǎng)分布狀況，并與葉片幾個(gè)截面周圍流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)照，分析結(jié)果表明葉片在三維旋轉(zhuǎn)條件下存在較嚴(yán)重失速;

(2)在保證葉片輸出功率的前提下，利用正交試驗(yàn)方法對(duì)翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且分析了由優(yōu)化后的翼型形成的葉片表面及截面在在隨機(jī)風(fēng)速下流體的流態(tài)，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的葉片的失速程度明顯的降低，氣動(dòng)性能顯著提高;

(3)采用Simpack和TurbSim軟件，建立了風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型并對(duì)葉片進(jìn)行加載，分析了翼型優(yōu)化前、后風(fēng)力機(jī)機(jī)組在隨機(jī)風(fēng)作用下的輸出功率，優(yōu)化后的輸出功率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對(duì)比Fluent仿真分析的結(jié)果，兩者有良好的一致性，證明了輸出功率結(jié)果是可信的.

[1]王旭東，王立存，李平，等．基于多學(xué)科的風(fēng)力機(jī)葉片形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(5):806-809.

[2]曲佳佳.風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法研究[D] .北京：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,2014.

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[5]周素霞，陶永忠，張志華，等．simpack 9(上) 實(shí)例教程[M]. 北京：聯(lián)合出版公司,2013：1-30

Analysis of Aerodynamic Characteristics of 3MW Wind Turbine Blades

SHAN Lijun，LIU Yuan

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

The internal and external flow field model of wind turbine blade is established, and the flow behavior and aerodynamic characteristics of wind turbine are analyzed by using fluid mechanics software Fluent．Though optimizing blade design, the stall degree is obviously reduced under the action of random wind speed. By comparing the flow pattern of the blade section and the blade surface, it shows that the optimized blade aerodynamic performance is significantly increased. The whole model of wind turbine is established by a dynamic analysis software Simpack, and the wind file is generated combined by turbsim for blade loading. Wind turbine power is obtained by simulation analysis, and the results show that the wind turbine power meets the design requirements .

aerodynamic characteristics; three-dimensional flow field; power

1673- 9590(2017)01- 0071- 05

2015-12-09

單麗君(1966-)，女，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論的研究

A

E- mail:slj@djtu.edu.cn.