李奕軒,吳洪磊,儂玉昌

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,陜西 西安 080202;2.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院,山西 太原 030024;3.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

0 引 言

我國“十三五”規(guī)劃中對低風(fēng)速風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予了很大的重視,明確表示要加快開發(fā)中東部和南方地區(qū)低風(fēng)速風(fēng)能資源。我國南方低風(fēng)速區(qū)域往往伴隨著復(fù)雜地形特征,例如,廣西低風(fēng)速區(qū)的丘陵地貌、貴州省低風(fēng)速區(qū)的噶斯特地貌等,由于復(fù)雜地形的影響,風(fēng)資源存在風(fēng)速低、風(fēng)切變、風(fēng)向多變、湍流等特點。

葉片作為風(fēng)電機組能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件,其氣動性能直接決定了風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率和運行壽命。復(fù)雜地形低風(fēng)速條件下風(fēng)機葉片中所受阻力增加,影響著葉片的氣動性能;其表現(xiàn)為當(dāng)氣流流過風(fēng)機葉片表面時會產(chǎn)生層流分離現(xiàn)象,造成風(fēng)機葉片表面的摩擦阻力與壓差阻力增大。

如何解決低風(fēng)速風(fēng)機葉片減阻問題已成為近年來研究熱點,其對低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展具有重要意義[1-3]。

基于仿生學(xué)的非光滑面減阻技術(shù)通過控制邊界層流動狀態(tài),破壞流場中的湍流渦結(jié)構(gòu),抑制湍流猝發(fā)從而達到減阻的目的,它以能源損耗低、減阻效果顯著和簡單易行等獨特優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注[4]。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對非光滑表面減阻技術(shù)在葉片減阻的應(yīng)用進行了研究,劉家成等人[5]針對葉片表面凹坑結(jié)構(gòu)對氣動、繞流和噪聲特性的影響進行了研究,但未分析其對葉片結(jié)構(gòu)的影響。

王珺等人[6]針對V型非光滑表面,對水泵葉片減阻性能的影響進行了研究,但沒有分析不同流速下非光滑葉片的減阻性能。LEE S J等人[7]將仿生鯊魚體表非光滑V型結(jié)構(gòu)布置于機翼表面,針對其在不同雷諾數(shù)中的減阻性能進行了研究,但沒有分析V型結(jié)構(gòu)參數(shù)對減阻的影響。代翠等人[8]將凹坑非光滑減阻表面布置于離心泵葉片表面,達到了12.7%的減阻率,但未考慮凹坑形狀對減阻的影響。

目前,研究者主要將脊狀等非光滑表面減阻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)葉輪減阻,通過數(shù)值模擬的方法,對其減阻機理與特性進行分析,但卻鮮有針對低風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機葉片的減阻問題而開展的研究。

筆者基于凸包非光滑表面減阻理論,以低風(fēng)速風(fēng)機葉片作為研究對象,采用正交試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究變異凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)在低風(fēng)速條件下對葉片減阻性能的影響,并分析變異凸包非光滑表面的減阻機理,為低風(fēng)速風(fēng)機葉片減阻優(yōu)化提供前瞻性參考。

1 模型介紹與工況分析

1.1 葉片模型

筆者以2.5 MW水平軸升力型低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機葉片作為研究對象,分析變異凸包非光滑減阻結(jié)構(gòu)對葉片減阻性能的影響。其葉片長62.5 m,由翼型沿葉片基線的弦長、預(yù)扭角以及厚度分布組成。

葉片基線分布參數(shù)如表1所示。

表1 葉片基線分布參數(shù)

風(fēng)機與葉片三維模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)機與葉片三維模型

1.2 變異凸包模型

筆者通過定義凸包非光滑結(jié)構(gòu)參數(shù),改變其結(jié)構(gòu)參數(shù),研究低風(fēng)速條件下變異凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)對風(fēng)機葉片減阻性能的影響。

定義的變異凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2 變異凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2中，凸包底面為圓形，其形狀與尺寸通過R控制，縱截面圓弧通過H與L進行控制，凸包橫截面采用曲線擬合方法進行校正。

縱截面與底面表達式如下:

(1)

凸包非光滑結(jié)構(gòu)在流動分離區(qū)域有類似脊肋結(jié)構(gòu)減阻效果,大大降低非光滑表面的壓差阻力;而凸包結(jié)構(gòu)之間擁有形似凹坑的結(jié)構(gòu),有助于凸包減阻結(jié)構(gòu)對摩擦阻力的影響。

變異凸包非光滑表面減阻結(jié)構(gòu)布置位置對減阻性能有著很大的影響,其適用于層流分離點之后湍流強度較大的區(qū)域[9,10]。

1.3 工況分析

低風(fēng)速區(qū)域由于復(fù)雜地形導(dǎo)致風(fēng)流存在風(fēng)切變、湍流、風(fēng)向多變等特點,針對低風(fēng)速風(fēng)機葉片的減阻優(yōu)化,需要對低風(fēng)速特點進行分析。

筆者以低風(fēng)速區(qū)測風(fēng)塔100 m高度的低風(fēng)速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),該地區(qū)可利用風(fēng)速(3 m/s～20 m/s)時數(shù)占比為92%,其中,3 m/s～8 m/s的風(fēng)速占比為62.8%,全年平均風(fēng)速為5.6 m/s,風(fēng)能密度為3 675.3 kW·h/m2,平均風(fēng)功率密度425 W/m2,有效風(fēng)功率密度為454.3 W/m2,平均風(fēng)功率密度等級為3級。

數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的風(fēng)速概率分布圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)速概率分布圖

由于風(fēng)向多變特性會導(dǎo)致葉片的攻角發(fā)生變化,筆者對工況中低風(fēng)速風(fēng)機葉片光滑翼型在不同攻角條件下(0°、4°、8°、12°),氣流流速隨翼型攻角變化圖進行分析,所得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣流流速隨翼型攻角變化圖

圖4中：隨著攻角的增加,最大速度也呈現(xiàn)上升的趨勢,風(fēng)機翼型表面的最大速度點在背風(fēng)側(cè)偏移,同時層流分離點葉片翼型前緣移動;當(dāng)攻角在4°～12°時,葉片翼型尾緣處低速流域范圍增大,氣流流動分離明顯增大,翼型流動分離區(qū)域湍流強度較大,適合凸包結(jié)構(gòu)排布,最終選擇將變異凸包結(jié)構(gòu)布置于風(fēng)機葉片翼型尾翼,布置距離為葉片截面翼型弦長尾段的20%。

2 模型預(yù)處理和數(shù)值模擬

2.1 減阻模型尺寸

研究表明[11]1-2:由于黏性子層的流體幾乎為層流,在黏性子層到對數(shù)律層之間的渦流很少,邊界層的湍流猝發(fā)一般發(fā)生在對數(shù)律層中。當(dāng)非光滑表面的尺寸在邊界層的對數(shù)律層的范圍中,則將會有效改變邊界層流動狀態(tài),抑制湍流邊界層猝發(fā)。通過計算平板邊界層厚度,估算出葉片表面的邊界層厚度,計算出非光滑表面結(jié)構(gòu)的減阻尺寸范圍。

平板邊界層厚度的估算公式如下[11]4-5:

(2)

式中：Re(l)—長度為l的板的雷諾數(shù)；u—平均流速，m/s；ν—流體的運動黏度，m2/s；Δy(l)—長度為l的板的湍流邊界層厚度，mm。

筆者針對貴州低風(fēng)速可用風(fēng)速范圍3 m/s～20 m/s的低風(fēng)速流域，運動黏度v=1.589×10-5m2/s，低風(fēng)速風(fēng)機葉片截取長度l=1 m(原長為62.5 m)，葉片弦長范圍為：15.2 mm～53.5 mm。

因此，估算凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)的尺寸范圍為：

(3)

式中：v—來流風(fēng)速，m/s。

分析結(jié)果表明:在低風(fēng)速風(fēng)機葉片段模型中,葉片表面的變異凸包非平滑單元的高度設(shè)定在0.178 mm和1.202 mm之間,將會改變邊界層湍流的流動狀態(tài)。

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

筆者采用ANSYS 20.0 Workbench對流場流域進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。變異凸包非光滑表面的網(wǎng)格尺寸定義為0.1 mm,其他表面網(wǎng)格定義為0.5 mm。

流場模型與網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 試驗裝置與計算域網(wǎng)格

圖5(a)中的試驗裝置模型圖,由半圓柱與長方體組合,半圓柱半徑為5 m,長方體尺寸為10×10×1 m,葉片段截取長度為1 m,入口風(fēng)速(輪轂高度風(fēng)速)分別設(shè)置為3 m/s、6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s、20 m/s。為使模擬流場的風(fēng)速更加符合復(fù)雜地形低風(fēng)速條件,入口速度的風(fēng)切變采用自定義函數(shù)(user-defined function,UDF)進行編譯。

根據(jù)選址風(fēng)電場的風(fēng)資源特性,風(fēng)切變模型如下:

(4)

式中：z—距離地面的垂直高度，m；z(v)—高度z對應(yīng)的風(fēng)速，m/s；v—輪轂高度處的風(fēng)速，m/s；風(fēng)電場的風(fēng)切變指數(shù)為1/6。

出口邊界條件設(shè)置為壓力出口,為了使模擬更接近真實工況,葉片近壁區(qū)設(shè)置了膨脹層[12],同時對葉片尾流區(qū)域網(wǎng)格進行加密;

初始條件設(shè)置為:求解器設(shè)置為穩(wěn)態(tài),湍流強度設(shè)置為5%,模型采用RNGk-ε模型,模型通過修正湍流黏度,考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)流動的影響,可以很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的氣流,適合凸包非光滑面近壁區(qū)漩渦流動的仿真計算。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 正交試驗

筆者通過改變凸包非光滑表面的結(jié)構(gòu)參數(shù),得到了變異凸包非光滑表面減阻結(jié)構(gòu);通過設(shè)計正交試驗,分析了非光滑表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對低風(fēng)速風(fēng)機葉片減阻性能的影響。

變異凸包水平因子如表2所示。

表2 變異凸包水平因子

表2中，變異凸包設(shè)置了底面半徑R，凸包高度H，頂點偏移距離L，凸包排列間隔D共4個形狀因素，凸包間隔D定義為凸包底面圓心的間距；每個因素分別設(shè)置4個水平。筆者以減阻率K作為減阻性能指標，當(dāng)減阻率K越大時，說明變異凸包非光滑表面的減阻性能越好，其計算方式如下式所示:

(5)

式中：f_smooth—光滑葉片表面的總阻力，N；f_convex—變異凸包非光滑葉片表面的總阻力，N；總阻力為摩擦阻力與壓差阻力之和。

設(shè)計4因素4水平的正交試驗L16(4×4)得到16組不同變異凸包模型如圖6所示。

圖6 16組不同變異凸包模型

正交試驗直觀分析表如表3所示。

表3 正交試驗直觀分析表

由表3可得:16組不同變異凸包非光滑表面的減阻性能隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變呈現(xiàn)較大差異,最大減阻率達5.89%,達到較好的減阻效果;最小為-5.12%,反而增大了阻力,變異凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同,對低風(fēng)速條件下凸包非光滑表面的減阻影響較大。

正交試驗極差分析如表4所示。

表4 極差分析表

正交試驗方差分析表如表5所示。

表5 方差分析表

3.2 結(jié)果分析

筆者采用正交試驗表3中的減阻率K,評價非光滑葉片在低風(fēng)速條件下變異凸包的減阻性能。

第8組變異凸包在試驗中減阻率最佳(為5.89%),由極差分析表中的平均值ki可知,變異凸包最佳減阻參數(shù):底面半徑R為1.50 mm、頂點偏移距離L為0.45R、凸包高度H為1.5 mm,凸包間隔D為20 mm;影響變異凸包非光滑葉片減阻性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)由大到小依次為:底面半徑R、高度H、排列間隔D以及頂?shù)灼凭嚯xL。

從表5方差分析表中F值的大小可以看出,各因素對試驗影響大小的順序為底面半徑R、高度H、排列間隔D以及頂?shù)灼凭嚯xL,結(jié)果與極差分析結(jié)果一致;查F值分布表得臨界值F0.01(3,3)=29.5,F0.05(3,3)=9.3,從F值與臨界值的比較來看,底面半徑R與凸包高度H為顯著性因素,最優(yōu)減阻凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)為R4H4D3L4。

不同風(fēng)速(3 m/s、9 m/s、15 m/s、20 m/s)變異凸包的減阻性能如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)速變異凸包的減阻性能

由圖7可知:相同風(fēng)速條件下的16組變異凸包,非光滑葉片的升力系數(shù)與阻力系數(shù)基本一致;特別是阻力系數(shù),當(dāng)風(fēng)速條件相同時,阻力系數(shù)變化不大,誤差基本控制在0.01～0.02之間;

當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時,變異凸包非光滑葉片的減阻率也逐漸增大,這說明隨著風(fēng)速的增加,變異凸包的減阻效果越來越顯著;同時,隨風(fēng)速的增大,最優(yōu)變異凸包參數(shù)基本為第8組,說明了變異凸包結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定減阻性能。

光滑葉片與第8組非光滑葉片減阻性能對比圖如圖8所示。

圖8 光滑葉片與第8組非光滑葉片減阻性能對比圖

由圖8中變異凸包非光滑葉片與光滑葉片的升阻比對比可知:布置了非光滑表面減阻結(jié)構(gòu)的風(fēng)機葉片具有更高的升阻比,相同風(fēng)速條件下具有更好的減阻性能;這說明變異凸包非光滑表面減阻結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)減阻增升的效果。

3.3 減阻特性分析

筆者通過多因素多水平的正交試驗分析低風(fēng)速條件下變異凸包非光滑葉片的減阻性能,采用直觀分析結(jié)合方差分析的方法,分析葉片尾翼變異凸包布置區(qū)的剪切應(yīng)力分布、速度矢量與壓力分布、尾跡渦流分布規(guī)律,研究低風(fēng)速條件下最佳減阻參數(shù)組合的變異凸包在不同風(fēng)速不同攻角下的減阻特性與減阻機理[13]。

3.3.1 葉片剪切應(yīng)力分布

分析光滑葉片與非光滑葉片尾翼的剪切應(yīng)力分布,可以直觀反映葉片尾翼所受到的摩擦阻力。

表面剪切應(yīng)力對于有效面積的積分為表面黏性阻力,表達式如下:

(6)

式中：τ—剪切應(yīng)力，Pa；A—剪切力作用的有效面積，mm2。

光滑葉片與非光滑葉片剪切應(yīng)力對比圖如圖9所示。

圖9 光滑葉片與非光滑葉片剪切應(yīng)力對比圖

圖9中:施加變異凸包非光滑表面的剪切應(yīng)力小于光滑葉片表面的剪切應(yīng)力,葉片前段光滑表面的剪切應(yīng)力沒有太大區(qū)別,從流體遇到變異凸包非光滑結(jié)構(gòu)式,剪切應(yīng)力開始變化,流體開始接觸凸包非光滑結(jié)構(gòu),剪切力呈現(xiàn)突然上升趨勢,凸包非光滑結(jié)構(gòu)之間的連帶效應(yīng)致使光滑區(qū)域剪切應(yīng)力下降的效果,形成剪切應(yīng)力帶狀分布,證明了凸包非光滑結(jié)構(gòu)可以降低葉片尾翼表面剪應(yīng)力,達到了減阻效果。

3.3.2 速度、壓力分布

非光滑葉片尾翼截面速度矢量分布如圖10所示。

圖10 非光滑葉片尾翼截面速度矢量分布圖

圖10中:凸包之間形成低速回轉(zhuǎn)渦流,其底部速度矢量方向與凸包頂部的邊界層速度方向相反,其截面形狀類似于凹坑非光滑減阻結(jié)構(gòu),誘導(dǎo)了凸包之間的低速回轉(zhuǎn)渦流,其作用類似于軸承,分離了邊界層與葉片翼型表面的接觸,使氣流與葉片表面的接觸方式由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦,大大降低了葉片尾翼凸包非光滑表面的摩擦阻力[14]。

圖10的區(qū)域A中,出現(xiàn)的流動特征是湍流邊界層的相干結(jié)構(gòu)(湍流邊界層的相干結(jié)構(gòu)指的是邊界量級空間內(nèi)相似的流動特征),其為變異凸包引導(dǎo)湍流產(chǎn)生的連貫結(jié)構(gòu),并對湍流流動產(chǎn)生規(guī)則性的擾動[15]。

由圖10可知:風(fēng)機葉片表面速度矢量由光滑表面過渡到非光滑表面呈現(xiàn)梯度變化,根據(jù)無滑移條件,流體在非光滑表面速度變化梯度小于光滑表面,速度梯度變化意味著邊界層流動狀態(tài)的變化,相應(yīng)的邊界層的切應(yīng)力也減小;

凸包之間出現(xiàn)的低速回轉(zhuǎn)渦流對湍流邊界層產(chǎn)生規(guī)則性的擾動,改善了湍流邊界層的流動狀態(tài),降低了摩擦阻力[16]。

變異凸包非光滑表面壓力分布圖如圖11所示。

圖11 變異凸包非光滑表面壓力分布圖

圖11中:施加變異凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)的葉片尾翼凸包表面的壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化,凸包在湍流作用下,其表面主要為迎風(fēng)高壓區(qū)與背風(fēng)低壓區(qū),相鄰?fù)拱孛娴膲毫Ψ植加筛叩降?再由低到高,這種壓力分布改變了邊界層湍流的流動狀態(tài);

由于速度與壓力具有連貫作用,高壓區(qū)對應(yīng)低速區(qū),低壓區(qū)對應(yīng)高速區(qū),這種壓力與速度的分布改變了邊界層的內(nèi)部結(jié)構(gòu),高速區(qū)與低速區(qū)的壓力與速度梯度變化促進邊界層流體的流動,減少了風(fēng)機葉片尾翼氣流的動能消耗[17]。

3.3.3 尾翼渦量分布

葉片尾跡渦量體現(xiàn)了葉片邊界層湍流的猝發(fā)頻率以及流體的流動狀態(tài),通過分析光滑葉片與變異凸包非光滑葉片尾跡產(chǎn)生的渦量圖,可以直觀體現(xiàn)變異凸包非光滑表面的湍流減阻效果[18-20]。

風(fēng)速為9 m/s時,光滑葉片不同攻角尾翼的渦量云圖如圖12所示。

圖12 9 m/s光滑葉片不同攻角尾翼的渦量云圖

風(fēng)速為9 m/s時,非光滑葉片不同攻角尾翼的渦量云圖如圖13所示。

圖13 9 m/s非光滑葉片不同攻角尾翼的渦量云圖

對比圖12與圖13可知:光滑葉片與非光滑葉片在攻角為0°、4°、8°、12°產(chǎn)生的尾流渦量,非光滑葉片在尾流產(chǎn)生的渦數(shù)量、渦半徑、渦產(chǎn)生以及渦脫落的頻率都略小于光滑葉片,說明變異凸包非光滑表面降低了葉片尾翼的速度變化梯度;通過控制葉片尾流區(qū)域渦流的產(chǎn)生,抑制湍流的猝發(fā),改善了葉片尾流的流動狀態(tài),減少了其能量損耗。

4 結(jié)束語

筆者以低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機葉片作為研究對象,通過設(shè)計正交試驗分析了低風(fēng)速條件下非光滑表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)機葉片減阻性能的影響,采用數(shù)值模擬方法驗證了變異凸包非光滑葉片的減阻性能。

研究結(jié)果表明:

(1)低風(fēng)速條件下變異凸包非光滑葉片的減阻率最大為5.89%,有效提升了低風(fēng)速風(fēng)機葉片的減阻性能;

(2)變異凸包結(jié)構(gòu)作為觸發(fā)源,引導(dǎo)湍流產(chǎn)生擬序結(jié)構(gòu)(凸包間低速旋轉(zhuǎn)渦流),在后續(xù)凸包結(jié)構(gòu)之間逐個觸發(fā),對湍流流動產(chǎn)生規(guī)律性的作用,并形成低剪切應(yīng)力帶,有效改善了湍流邊界層的流動狀態(tài);

(3)變異凸包結(jié)構(gòu)通過控制葉片尾流區(qū)域渦流的產(chǎn)生,抑制湍流的猝發(fā),減少了能量損耗;變異凸包附近流域壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化,高壓與低壓有序分布,對凸包間低速旋轉(zhuǎn)渦流的形成起到了很好的促進作用;產(chǎn)生的壓降推動了流體的流動,抵消了部分流體黏性作用力,起到了主動減阻的效果。

該研究結(jié)果可為我國低風(fēng)速風(fēng)機葉片設(shè)計提供參考,但目前仍存在一些問題,如變異凸包非光滑表面結(jié)構(gòu)對葉片氣動噪聲以及疲勞特性的影響等。

因此,如何對相關(guān)的結(jié)構(gòu)進行加工等問題還需在后續(xù)的工作中,做進一步的研究。