楊 瑞, 楊勝兵, 馬超善, 孫霞陽, 陳月娟, 岳一軒

(蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著近幾年風資源的開發(fā)利用,提高風力機的風能利用效率成為當前急需解決的問題之一.風力機葉片作為風力機捕獲風能的主要部件,其性能的好壞直接決定了風力機風能轉(zhuǎn)化率的高低.國內(nèi)外學者對提高風力機的利用效率做了大量的研究.目前有三種最為有效的方法來提高風力機的風能轉(zhuǎn)化效率:一是在風力機葉片尾緣處安裝襟翼,二是在風力機葉片表面增加渦流發(fā)生器,三是在風力機葉片葉尖處安裝葉尖小翼.Troldborg[1]采用CFD方法進行了固定尾緣襟翼氣動性能的定常計算,發(fā)現(xiàn)尾緣襟翼可以提高升力,并能在一定程度上降低載荷波動.Van Dam、Baek、Johnson等[2-4]研究了微型滑動襟翼,結(jié)果表明微型滑動襟翼可以改善葉片表面壓力分布,提高翼型的升力系數(shù)和升阻比.高翔等[5]對在葉尖處安裝渦流發(fā)生器的位置進行了研究,結(jié)果表明當渦流發(fā)生器在最佳安裝位置處時,風力機功率提高且葉尖渦的渦量有所降低.張磊等[6]研究了渦流發(fā)生器對風力機專用翼型氣動性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大攻角下渦流發(fā)生器能夠推遲流動分離,減小翼型阻力,且增大翼型的最大升力系數(shù).Timmer等[7]對高雷諾數(shù)下DU97-W-300翼型加裝渦流發(fā)生器的氣動性能進行實驗,研究發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器可推遲失速攻角,提高升阻比.張進等[8]探究了微型渦流發(fā)生器抑制超臨界翼型附面層分離的原理,研究了微型渦流發(fā)生器的不同高度、安裝位置對翼型流動的影響,并給出了最佳安裝位置.汪建文等[9]采用數(shù)值模擬的手段對安裝不同形狀和尺寸參數(shù)的小翼風力機進行了數(shù)值模擬,得出了小翼形狀和尺寸參數(shù)對風力機動力放大的變化規(guī)律.張立茹等[10]對葉尖有無小翼的風力機進行了對比研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)小翼消弱了葉尖渦的強度,推遲了葉尖渦產(chǎn)生的時間,使葉尖流動損失降低.楊振濤等[11]研究了小翼對葉尖渦運動軌跡的影響,結(jié)果表明有小翼的風力機葉尖渦運動螺距減小,同時葉尖渦的徑向運動距離增加,向外遷移的程度增加.楊瑞等[12]用數(shù)值模擬的方法對加有Gurney 襟翼和沒有加Gurney 襟翼的風力機進行了對比研究,結(jié)果表明加 Gurney襟翼后葉片壓力面的壓力有所增加,吸力面壓力降低,且各面壓力分布趨于均勻,壓力面和吸力面的壓力差顯著增大,提高了風力機葉片的升力.

雖然國內(nèi)外學者對提高風力機氣動性能進行了大量的研究,但大都是在風力機葉片上加裝裝置來提高風力機氣動性能.增加裝置首先會使得葉片的制造成本增加,且對葉片的結(jié)構(gòu)提出更高的要求.由此本文提出一種新的葉片結(jié)構(gòu),即在風力機輪轂處和葉尖處同時開洞,用管道將葉尖處的洞和輪轂處的洞連接,將輪轂處的氣流引到葉尖處,以減小葉尖渦對風力機氣動性能的影響.

1 物理模型及邊界條件

1.1 計算物理模型

以文獻[13]中用于PIV實驗的兩葉片PhaseⅥ風力機1/8縮比模型為研究對象,其中額定風速為12 m/s,槳距角為4°,風輪轉(zhuǎn)速為900r/min,對應(yīng)葉尖速比為4.91,在下文中稱為原始模型.新風力機模型是在風力機葉尖處和輪轂處同時開洞,葉尖處的洞位于翼型氣動中心處,其直徑為葉尖處葉素弦長的5 %,風力機輪轂處洞的直徑為輪轂直徑的10%,如圖1所示,在下文中稱為新模型.數(shù)值計算區(qū)域由靜止域和旋轉(zhuǎn)域構(gòu)成,靜止域直徑為5D,風輪距入口邊界為5D,距出口邊界為10D,其中D為風輪直徑,計算域如圖2 所示.

圖1 新模型風力機示意圖Fig.1 Schematic diagram of the new model wind turbine

圖2 計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation field

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

計算域網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,對葉片葉尖處、葉根處以及葉片前緣和后緣處的網(wǎng)格進行加密處理.經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后最終確定沿葉片展向布置120個節(jié)點,沿葉片弦向布置70個節(jié)點.部分計算域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示.采用Fluent求解基于雷諾時均的三維不可壓N-S方程,方程的離散均采用二階迎風格式,壓力和速度的耦合采用SIMPLEC 算法,湍流模型為k-ωSST.

圖3 部分計算域網(wǎng)格示意圖

2 計算結(jié)果及分析

2.1 新結(jié)構(gòu)葉片對風力機功率的影響

風輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時來流風速從6 m/s變到20 m/s,對原始模型和新模型進行數(shù)值模擬計算.風力機功率計算結(jié)果如圖4所示.在8～10 m/s風速時原始模型和新模型的功率很接近,即開洞對風力機氣動性能的影響很小.當風速達到額定風速12 m/s時,新模型的功率比原始模型功率提高了11.904%.由于所選風力機模型為失速型風力機,則隨著風速的繼續(xù)增大風力機的功率也隨之降低,但新模型的功率始終高于原始模型的功率.

圖4 兩種不同風速下的風輪功率Fig.4 Wind turbine power at two different speeds

2.2 新結(jié)構(gòu)葉片表面壓力分布

當來流風速為8 m/s時,葉片表面壓力分布如圖5a所示.新模型葉片葉尖處壓力面低壓區(qū)比原始模型葉片葉尖處壓力面低壓區(qū)的面積小,且對應(yīng)壓力值低.在葉片吸力面,新模型的低壓區(qū)比原始模型的低壓區(qū)面積大.雖然新模型壓力面和吸力面的壓差與原始模型壓力面和吸力面的壓差有差別,但是差別很小.

當來流風速為12 m/s時,葉片表面壓力分布如圖5b.原始模型葉片壓力面葉尖處低壓區(qū)比新模型壓力面葉尖處低壓區(qū)范圍大，且壓力值低.由于來流風速的增大,原始模型在葉根處出現(xiàn)了流動分離現(xiàn)象,流動分離現(xiàn)象的發(fā)生使得氣流以渦的形式脫離葉片表面；又因為風輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使得葉根處的氣流沿葉片展向從葉根處向葉尖處流動,從而加劇了葉片葉尖處氣流從壓力面繞過葉尖流向吸力面.新模型有效抑制了這種流動,主要原因是,當來流風速經(jīng)過輪轂時,部分來流從輪轂的洞進入,經(jīng)過風輪的旋轉(zhuǎn)加速后,從葉尖處的洞口噴射而出,從葉尖洞口噴射而出的氣流有效地阻止了葉尖處氣流從壓力面繞過葉尖流向吸力面,同時也有效地限制了葉根處氣流的分離.在葉片吸力面,新模型的低壓區(qū)比原始模型的低壓區(qū)范圍大,且壓力值低；新模型葉片壓力面和吸力面的壓差高于原始模型壓力面和吸力面的壓差.

當來流風速為16 m/s時，葉片表面壓力分布如圖5c所示.當來流風速為16 m/s時原始模型葉片壓力面葉尖處低壓區(qū)比12 m/s風速時原始模型葉片壓力面葉尖處低壓區(qū)范圍更大，且壓力值更低.主要原因是,隨著來流風速的增大,葉片壓力面和吸力面壓差也隨之增大,氣流從壓力面繞過葉尖向吸力面流動的現(xiàn)象更加明顯,導致了葉片壓力面低壓區(qū)范圍更大.新模型壓力面葉尖處低壓區(qū)比原始模型壓力面葉尖處低壓區(qū)范圍小,且壓力值高.在吸力面新模型低壓區(qū)比原始模型低壓區(qū)范圍大，且壓力值低.

圖5 三種來流風速下風力機葉片表面壓力分布

2.3 對尾流的影響

本文中設(shè)定來流方向為y方向,沿著葉片展向為z方向,風輪旋轉(zhuǎn)方向為x方向，示意圖如圖6所示.

圖6 風輪位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of wind wheel position

當來流風速為8m/s時,尾流在風輪旋轉(zhuǎn)平面、1D、6D、10D上xz平面內(nèi)的速度分布如圖7a所示.8 m/s風速時,新模型對葉片氣動性能的影響很小,同時對尾流的影響也很小.從風輪旋轉(zhuǎn)平面到10D,新模型和原始模型尾流在xz平面內(nèi)速度分布幾乎一致,即在8 m/s風速時新模型對風力機尾流的影響很小.

當來流風速為12 m/s時,尾流在風輪旋轉(zhuǎn)平面、1D、6D、10D上xz平面內(nèi)的速度分布如圖7b所示.在風輪旋轉(zhuǎn)平面新模型葉尖處的速度比原始模型葉尖處的速度大,主要原因是,在新模型中當來流通過風輪旋轉(zhuǎn)平面時,部分氣流從輪轂處的洞進入,由葉片的旋轉(zhuǎn)將進入葉片管道中的氣流加速之后,從葉尖處的洞口噴射而出,使得新模型葉尖處的速度增大.在1D處原始模型和新模型葉尖渦都存在,但原始模型葉尖渦還沒有擴散而新模型葉尖渦已經(jīng)開始擴散；在6D處原始模型葉尖渦擴散程度較新模型葉尖渦擴散程度??；在10D處新模型葉尖渦已完全擴散,而原始模型葉尖渦仍然存在.因此在12 m/s風速下新模型對尾流產(chǎn)生了影響,加快了葉尖渦的擴散速度,進而對下游風力機的影響減小.

當來流風速為16 m/s時,尾流在風輪旋轉(zhuǎn)平面、1D、6D、10D上xz平面內(nèi)的速度分布如圖7c所示.16m/s風速時由于來流風速的增大,在10D處原始模型葉尖渦幾乎沒有擴散,而新模型葉尖渦在1D處已經(jīng)開始擴散,到6D時葉尖渦已經(jīng)完全擴散,但尾流在xz平面內(nèi)仍然存在高速區(qū).即隨著來流風速的增大,新模型對風力機尾流的影響也隨之增大.主要原因是,當來流風速增大時,進入輪轂處洞內(nèi)的風速也增大了,同時從葉尖洞口處噴射的氣流速度也增加了,噴射出來的氣流有效地限制了從壓力面繞過葉尖流向吸力面的氣流,且有效抑制了葉尖渦的產(chǎn)生.因此，新模型在提高葉片氣動性能的同時,改善了風力機尾流,使得對下游風力機的影響減小.

圖7 三種風速下尾流沿著來流方向在xz平面的分布情況

截取12 m/s風速時兩種模型葉尖處速度分布云圖如圖8所示.新模型在葉尖處氣流速度向著葉根方向流動的趨勢比原始模型要弱,說明新模型有效地限制了葉尖處氣流從壓力面向吸力面的回流,增加了葉尖處翼型的氣動力,從而增加了葉片整體的氣動力,因此新模型對葉片氣動性能有促進作用.

圖8 風速為12 m/s時原始模型和新模型葉尖處速度分布Fig.8 The velocity distribution at blade tip of original model and new model when wind speed is 12 m/s

3 結(jié)論

1) 原始模型和新模型的功率在額定風速12 m/s時都達到最大值,隨著風速的進一步提高，原始模型和新模型的功率都隨之下降,但新模型的功率始終高于原始模型.

2) 新模型葉片壓力面和吸力面的壓差比原始模型葉片壓力面和吸力面的壓差大，即新模型葉片氣動性能優(yōu)于原始模型葉片氣動性能.

3) 新模型尾流在風輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的擴散速度快,在來流方向傳播距離短,可以減小對下游風力機的影響,提高風電場的風能利用效率.