胡丹梅, 潘衛(wèi)國

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

塔架支撐整個風(fēng)力機,同時還要承受來流風(fēng)的壓力和風(fēng)力機運行的載荷。塔架的存在勢必會對風(fēng)力機尾跡產(chǎn)生一定的影響,即為塔影效應(yīng)。所謂塔影效應(yīng)是指當(dāng)自由來流風(fēng)經(jīng)過塔架時,由于塔架的阻擋導(dǎo)致風(fēng)速減小以及作用在風(fēng)輪上的載荷產(chǎn)生周期性震蕩的現(xiàn)象。塔影效應(yīng)會造成風(fēng)力機輸出功率減小以及氣動載荷的波動,進而影響風(fēng)力機葉片及塔架的疲勞壽命,并且其對尾跡流場的擾動也會往風(fēng)力機下游傳遞,對風(fēng)電場中的下游風(fēng)力機產(chǎn)生影響。因此,研究塔影效應(yīng)對風(fēng)力機尾跡的影響非常重要。

國內(nèi)外對于塔影效應(yīng)都有一定的研究,研究對象主要集中于塔筒式風(fēng)力機。CHATTOT J J[1]建立了螺旋渦模型(該模型相當(dāng)于一個下風(fēng)向裝置),分別對其在5 m/s、7 m/s、10 m/s、12 m/s的風(fēng)速及30°的偏航角度下進行了分析,結(jié)果表明,這一模型能夠在一定程度上應(yīng)用于塔影效應(yīng)的研究,成本低,通用性強。LACKNER M A等人[2]建立了二維和三維模型來模擬上風(fēng)向風(fēng)力機的塔影效應(yīng),并對二維和三維模型的速度場進行了對比,對三維模型的不足之處進行了改進。REISO M等人[3]建立了下風(fēng)向風(fēng)力機塔架的二維模型,并采用一種新方法進行了定常和非定常模擬,分析了塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機尾跡寬度、湍流強度變化及速度損失。范忠瑤等人[4]使用FINETM/Turbo軟件對上風(fēng)向風(fēng)力機葉片和塔架進行了數(shù)值計算,然后對葉片載荷、表面壓力、法向力系數(shù)及流場分布進行了分析,結(jié)果表明,塔架的影響會使風(fēng)力機的載荷發(fā)生很大變化,同時風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)也會使塔架的受力不均。封晨穎[5]以風(fēng)力機設(shè)計理論為基礎(chǔ),設(shè)計了10 kW風(fēng)力機,并進行了載荷計算;建立了塔架和翼型截面的二維模型,分析了相對距離對翼型周圍流場分布和壓力系數(shù)的影響;建立了風(fēng)力機整機的三維模型,分析了塔架對葉片的壓力分布和推力的影響?？滓賱偟热薣6]在考慮了風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立了風(fēng)力機的風(fēng)速模型,分析了不同塔架高度、塔架直徑、風(fēng)剪切系數(shù)等對風(fēng)力機風(fēng)速的影響。范忠瑤[7]對塔架的脫落渦與風(fēng)力機葉片的相互作用等氣動問題進行了數(shù)值模擬研究。

本文選用NREL 5 MW[8]風(fēng)力機,采用SSTk-ω湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)對其進行模擬,對比分析了塔筒式和桁架式風(fēng)力機的塔影效應(yīng)對風(fēng)力機尾跡流場的影響。

1 物理模型及數(shù)值計算方法

1.1 物理模型

本文采用NREL 5 MW風(fēng)力機,在所建立的風(fēng)輪模型上分別采用塔筒和桁架支撐,如圖1所示,其中風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)方向是沿x軸逆時針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點。塔筒及桁架的具體數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

圖1 風(fēng)力機整機模型

表1 塔筒式風(fēng)力機塔筒幾何參數(shù)m

表2 桁架式風(fēng)力機桁架幾何參數(shù) m

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

首先建立風(fēng)力機模型,然后建立計算流場模型。外圍流場采用長方體形流場,并且外圍流場分成兩個部分,一部分為包含風(fēng)力機模型的旋轉(zhuǎn)域,另一部分為旋轉(zhuǎn)域外的靜止域。流場模型如圖2所示。

圖2 流場計算域

外圍流場的入口距離風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)平面1D(126 m),出口距離風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)平面20D(2 520 m);旋轉(zhuǎn)域直徑為70 m,其入口距離風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)平面3 m,出口距離風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)平面3 m。葉片周圍、塔架周圍網(wǎng)格劃分如圖3～圖5所示。

圖3 葉片周圍網(wǎng)格劃分

圖4 塔筒周圍網(wǎng)格劃分

圖5 桁架周圍網(wǎng)格劃分

為了滿足y+的要求,葉片第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,并按1.2的增長率進行網(wǎng)格加密,加密層數(shù)為30層;塔筒表面第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,網(wǎng)格增長率為1.15,加密層數(shù)為20層;桁架表面第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,網(wǎng)格增長率為1.2,桁架表面至內(nèi)區(qū)域邊界的網(wǎng)格數(shù)為15個。塔筒周圍網(wǎng)格總數(shù)為2.03×106個,整個計算域網(wǎng)格數(shù)為4.0×106個;桁架所在的小靜止域網(wǎng)格數(shù)為4.9×105個,外圍大靜止域網(wǎng)格數(shù)為2.0×106個,整個計算域網(wǎng)格數(shù)為4.5×106個。

1.3 控制方程

本文數(shù)值模擬計算基于N-S方程,考慮到湍流模型需與壁面函數(shù)法兼容以及葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),選用帶有湍流漩渦修正的RNGk-ε兩方程模型,離散格式為二階迎風(fēng),利用SIMPLE算法進行求解[9]。采用滑移網(wǎng)格法計算,設(shè)置旋轉(zhuǎn)域,以葉輪旋轉(zhuǎn)軸為軸進行旋轉(zhuǎn),風(fēng)力機組部件視為剛性,不考慮流固耦合。

RNGk-ε模型控制方程[10]為:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中:ρ——空氣密度;

k——湍流脈動動能;

t——時間;

xi,xj——空間某一方向(i,j=1,2,3);

ui——速度在某一方向上的分量(i=1,2,3);

αk——湍流動能普朗特數(shù)的倒數(shù);

μeff——有效黏性系數(shù);

Gk——產(chǎn)生的湍流動能;

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動能;

ρε——耗散項的密度;

YM——在可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動;

ε——脈動耗散率;

αε——湍流耗散率普朗特數(shù)的倒數(shù);

C1ε,C2ε,C3ε——模型默認(rèn)常數(shù);

Rε,Sk,Sε——用戶自定義項。

2 計算結(jié)果分析

2.1 塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機受力分析

圖6為風(fēng)力機塔架表面所受到的升力和阻力隨風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)的變化曲線。

從圖6可以看出,對于塔筒式風(fēng)力機,每當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到塔筒的前方時,塔筒表面所受到的升力和阻力的大小和方向都發(fā)生急劇的轉(zhuǎn)變。這是因為,此時塔筒正處于風(fēng)力機葉片的尾跡中,塔筒對尾跡氣流的劇烈擾動使得塔筒的受力發(fā)生突變,如果長時間處于這種影響中會對塔筒造成嚴(yán)重的損壞。對于桁架式風(fēng)力機,其所受到的升力和阻力的最大差值分別為9 500 N和8 000 N,相比于塔筒所受到的最大升力差值32 000 N和最大阻力差值26 000 N,桁架所受的升力和阻力要明顯小于塔筒所受的升力和阻力,并且沒有太大的波動和規(guī)律性,雖然每次葉片旋轉(zhuǎn)到桁架前方時,桁架所受到的升力和阻力都有所變化,但變化不明顯。造成這些現(xiàn)象的原因,是因為氣流到達(dá)桁架時,有一部分氣流可以從桁架的鋼柱之間穿過,另一部分氣流則要受到多根鋼柱的阻擋作用,通過每一根鋼柱時都要發(fā)生繞流現(xiàn)象,每根繞流的疊加使得氣流的擾動變得復(fù)雜;而氣流在到達(dá)塔筒時則會受到完全阻擋,使塔筒受到很大的升力和阻力。這也充分說明桁架式風(fēng)力機的受力遠(yuǎn)小于塔筒式風(fēng)力機,更有利于結(jié)構(gòu)的安全。

圖6 風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)一周的塔架表面升力和阻力變化曲線

2.2 塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機速度和湍流強度分析

2.2.1 塔影效應(yīng)對近尾跡流場的影響

首先分析風(fēng)力機塔架前后距離塔架比較近的位置處的風(fēng)速和靜壓的變化,提取塔架前0.5d(d為塔架底部直徑)和塔架后0.5d處的風(fēng)速和靜壓做成曲線,如圖7和圖8所示。

從圖7可以明顯看出,來流風(fēng)在兩種形式的塔架前后的速度都有明顯變化。這種變化在塔架正前方和正后方中心附近的位置最明顯,并且從圖7(b)可以看到,氣流在經(jīng)過塔架后,其速度在塔架附近的變化都很劇烈,但是桁架式風(fēng)力機的速度變化要小于塔筒式風(fēng)力機。這是因為氣流在經(jīng)過塔架后很小的距離內(nèi),由于氣流在塔架的繞流作用導(dǎo)致塔架正后方的氣流速度很小,而塔架兩側(cè)的氣流受到擠壓,速度很大,并且由于氣流在塔筒所受到的擠壓要大于在桁架的細(xì)長鋼柱處所受到的擠壓,所以塔筒后方的速度變化要大于桁架。由圖8的靜壓變化可以看出,靜壓在塔架前后也發(fā)生了變化,其中桁架前后的壓力變化最大值為30 Pa,而塔筒前后的壓力變化最大值則達(dá)到了70 Pa,桁架前后的壓力變化明顯小于塔筒,這也是由塔架結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的繞流作用不同所引起的。因此,對于塔架本身來說,桁架式的結(jié)構(gòu)更安全一些。

圖7 兩種塔架前后速度變化曲線

圖8 兩種塔架前后靜壓力變化曲線

圖9為0.6R處的湍流強度云圖。

圖9 兩種塔架0.6R處的湍流強度云圖

從圖9可以看出,塔架的存在會對風(fēng)力機葉片產(chǎn)生一定的影響。相互影響最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在葉根處,并且由于塔架的擾動,使風(fēng)力機尾跡區(qū)產(chǎn)生很大的湍流強度。對比兩種形式的塔架可以看出,桁架式的塔架對風(fēng)力機尾跡氣流的擾動要大于塔筒式的塔架,其擾動的范圍及強度也要大一些。

圖10為風(fēng)力機下游0.5倍風(fēng)輪直徑處,兩種形式塔架不同葉高處的速度和湍流強度對比曲線。從圖10可以看出,塔筒式風(fēng)力機的速度最小值和湍流強度最大值都出現(xiàn)在接近塔筒正后方的位置,速度虧損的最大值約為30%,湍流強度最大值約為40%;對于桁架式風(fēng)力機而言,其速度最小值和湍流強度最大值的出現(xiàn)位置并不固定,主要是由桁架結(jié)構(gòu)造成的,在不同葉高處的截面,其鋼柱的位置是不同的,導(dǎo)致氣流繞流鋼柱的位置也發(fā)生了變化,桁架式風(fēng)力機的速度虧損最大值達(dá)到了70%,湍流強度最大值則達(dá)到了120%,明顯大于塔筒式風(fēng)力機。這充分說明桁架對風(fēng)力機近尾跡的影響要大于塔筒對風(fēng)力機近尾跡的影響。

2.2.2 塔影效應(yīng)對遠(yuǎn)尾跡流場的影響

圖11和圖12為兩種形式塔架下游不同截面的風(fēng)速曲線。

從圖11和圖12可以看出,在風(fēng)力機下游2倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi),塔影效應(yīng)的影響是最大的,但隨著距離風(fēng)力機越來越遠(yuǎn),塔影效應(yīng)開始逐漸減小,風(fēng)速開始逐漸恢復(fù)[11]。在z=-40 m處下游8倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機的流場風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)到來流風(fēng)速的80%左右,而桁架式風(fēng)力機流場風(fēng)速才恢復(fù)到來流風(fēng)速的75%左右;在z=-56.7 m處下游8倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機的流場風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)到來流風(fēng)速的85%左右,而桁架式風(fēng)力機流場風(fēng)速才恢復(fù)到來流風(fēng)速的80%左右;在12倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機的流場速度已經(jīng)恢復(fù)到接近來流風(fēng)速的90%,桁架式也已經(jīng)恢復(fù)到85%。由此表明,在風(fēng)力機下游相同距離處,塔筒式風(fēng)力機尾跡流場的最小速度總是略大于桁架式風(fēng)力機流場的最小速度;此外,速度分布曲線的形狀受塔架形狀的影響,這種影響在桁架式風(fēng)力機上的表現(xiàn)要明顯一點,并且隨著距離塔架越來越遠(yuǎn),塔架的形狀對流場速度分布曲線的影響開始減弱。

圖13為兩種形式塔架不同截面的最小速度曲線。

圖10 兩種塔架不同葉高處的速度和湍流強度對比

從圖13可以看出,無論是哪種形式的塔架,在來流風(fēng)到達(dá)風(fēng)力機時,風(fēng)速都有很大的下降,而隨著距離風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)平面越來越遠(yuǎn),兩種形式塔架的風(fēng)力機尾跡流場的最小速度都逐漸增大,并且在0～5D的范圍內(nèi)風(fēng)速增加的最快,但桁架式風(fēng)力機不同截面的最小速度始終略小于塔筒式風(fēng)力機。

因此,在選用桁架作為風(fēng)力機塔架時,風(fēng)力機的布置間距要考慮略大于塔筒式風(fēng)力機的布置間距。

圖11 兩種塔架在z=-40 m處下游不同截面風(fēng)速曲線

圖12 兩種塔架在z=-56.7 m處下游不同截面風(fēng)速曲線

圖13 兩種形式塔架不同截面的最小風(fēng)速曲線

3 結(jié) 論

本文利用FLUENT軟件對兩種形式塔架的風(fēng)力機整機進行了模擬分析,在對塔影效應(yīng)下的塔筒式和桁架式風(fēng)力機受力情況、速度及湍流強度分布進行了對比分析后,得出如下結(jié)論。

(1) 對比塔架表面所受的升力和阻力可以看出:對于塔筒式塔架的風(fēng)力機,每當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到塔筒的前面時,塔筒表面所受到的升力和阻力的大小和方向都發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變;對于桁架式風(fēng)力機,桁架所受的升力和阻力明顯小于塔筒所受的升力,并且沒有太大的波動和規(guī)律性。所以,對于塔架本身來說,桁架式的結(jié)構(gòu)更安全一些。

(2) 對比風(fēng)力機下游0.5倍風(fēng)輪直徑處兩種形式塔架的速度和湍流強度曲線可以看出:塔筒式風(fēng)力機的速度最小值和湍流強度最大值都出現(xiàn)在接近塔筒正后方的位置,速度虧損的最大值約為30%,湍流強度最大值約為40%;對于桁架式風(fēng)力機。所以,其速度最小值和湍流強度最大值出現(xiàn)的位置并不固定,速度虧損最大值達(dá)到了70%,湍流強度最大值則達(dá)到了120%,明顯大于塔筒式風(fēng)力機。所以,說明桁架對風(fēng)力機尾跡的影響大于塔筒對風(fēng)力機尾跡的影響。

(3) 對比兩種形式塔架下游不同截面的風(fēng)速曲線可以看出:在風(fēng)力機下游2倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi),塔影效應(yīng)的影響是最大的,隨著距離風(fēng)力機越來越遠(yuǎn),塔影效應(yīng)也開始逐漸減小,風(fēng)速開始逐漸恢復(fù),在0～5D范圍內(nèi)風(fēng)速增加的速度最快,并且在風(fēng)力機下游相同距離處,塔筒式風(fēng)力機尾跡流場的最小速度總是略大于桁架式風(fēng)力機的尾跡流場最小速度。所以,桁架式風(fēng)力機的布置間距要考慮略大于塔筒式風(fēng)力機的布置間距。另外,

速度分布曲線的形狀受塔架形狀的影響,這種影響在桁架式風(fēng)力機上的表現(xiàn)要明顯一點,并且隨著距離塔架越來越遠(yuǎn),塔架的形狀對流場速度分布曲線的影響開始減弱。