摘 要：該文采用轉(zhuǎn)捩模型，首先從平板，然后到NREL PhaseⅥ風(fēng)力機，對反向、同向渦流發(fā)生器（VG）的作用機理進行分析。平板研究旨在從機理上給出同向與反向VG在不同入流風(fēng)向下的作用機理。通過分析不同轉(zhuǎn)速下的Phase Ⅵ 風(fēng)力機葉片各剖面流場和輸出轉(zhuǎn)矩，來探究三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（TDRE）作用下VGs安裝方式的影響以及同向VGs的作用機理。模擬結(jié)果與NREL試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，輸出轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果與試驗值吻合良好，最大誤差為9.3%。平板研究結(jié)果表明，大斜角入流條件下，反向旋轉(zhuǎn)VG作用機理向同向VG方向發(fā)展，其擾動作用劣于同向VG。風(fēng)力機研究結(jié)果表明，VG提高了葉片的輸出功率，推后了翼型表面的分離點，改善了葉片表面氣動流場；TDRE影響下，同向VG的作用效果優(yōu)于反向VGs。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機；數(shù)值模擬；流動控制；同向渦流發(fā)生器；Phase Ⅵ風(fēng)力機；旋轉(zhuǎn)效應(yīng)

中圖分類號：TK83" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

隨著風(fēng)電機組向大容量發(fā)展，葉片變得越來越長，以提升風(fēng)力機功率?，F(xiàn)代長葉片采用非扭角設(shè)計，這難免使葉片中根部位置在旋轉(zhuǎn)中處于大攻角的運行狀態(tài)。葉片中根部在大攻角下極易發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，使得阻力增加、升力降低，風(fēng)力機氣動性能下降。流動控制技術(shù)可用來抑制邊界層分離和延遲失速，是增升減阻進而提高單機效率的有效方法。流動控制技術(shù)分為主動和被動兩類。主動流動控制方法通常需要外部能量或二次源進行負載控制，系統(tǒng)復(fù)雜，在風(fēng)力機領(lǐng)域應(yīng)用較少［1］。被動流動控制方法包括渦流發(fā)生器（vortex generator，VG）、格尼襟翼、前緣微圓柱等。其中，VG因為成本相對較低，實現(xiàn)方式簡單，在目前大型風(fēng)力機上廣泛應(yīng)用。VG是以某一固定角度安裝在風(fēng)力機葉片表面上的陣列小薄板，如圖1所示。流體流過VG時產(chǎn)生流向渦，將高能量主流與低能量邊界層流體進行混合，從而使邊界層分離氣流獲得高能量，克服逆壓流動阻力，重新附著在葉片表面上，起到有效延遲失速和增升減阻的效果［2-3］。

諸多學(xué)者針對VG對翼型流動控制機理展開研究。如：張磊等［4］和楊科等［5］對安裝有5個VG的鈍尾緣DU91-W2-250進行了數(shù)值分析，翼型性能顯著提高；高林躍等［6］研究了VG高度、長度和間距對鈍尾緣DU97-W-300的性能影響，結(jié)果表明VG長度增加對升力和阻力有負面影響，其中阻力比升力對高度更敏感；Baldacchino等［7］基于風(fēng)洞試驗，研究了VG參數(shù)對DU97-W-300翼型氣動性能的影響，指出VG高度、弦向位置和布局是影響風(fēng)力機翼型氣動性能的主要參數(shù)；王海鵬等［8］采用SST k-ω湍流模型預(yù)測了S809翼型上雙排VG的性能，發(fā)現(xiàn)其性能優(yōu)于單列布局；朱呈勇等［9-10］還發(fā)現(xiàn)S809翼型上VG雙排布局比單排布局能可更好地抑制動態(tài)失速；趙振宙等［11］對VG的流動控制方法研究現(xiàn)狀進行了綜述，指出現(xiàn)有研究大多基于孤立翼型展開，VG可較好地延遲翼型分離現(xiàn)象，提高翼型的失速攻角和最大升力系數(shù)，但未考慮風(fēng)力機三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（three-dimensional rotational effect，TDRE）的影響。這些研究主要針對翼型展開，入流風(fēng)以垂直VG排布方向進入VG。

也有部分學(xué)者針對風(fēng)力機表面的VG性能展開研究，如Saenz-Aguirre等［12］采用葉素動量（blade element momentum，BEM）方法評估了采用VG和GFs的NREL 5 MW海上水平軸風(fēng)力發(fā)電機（horizontal axis wind turbines，HAWTs）的性能，發(fā)現(xiàn)年發(fā)電量（annual energy procluction，AEP）提高了2.43%～2.68%。田情等［13］和Lee等［14］研究表明，VG可用于提高NREL 5.0 MW風(fēng)力機性能，使AEP提高1.0%。

VG布置有同向平行布置和反向“八”形布置。以上研究中，無論是翼型還是旋轉(zhuǎn)葉片，VG主要采用反向VG組合，研究主要針對反向VG展開。因為僅從作用機理而言，當(dāng)入流風(fēng)垂直進入VG陣列時，同向VG產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相同的流向渦，兩個相鄰VG的中間點同時存在向下和向上旋流，相互干擾，故其性能不及反向旋轉(zhuǎn)VG［15-16］。這使得目前風(fēng)力機葉片上VG排列布置主要采用反向VG為主，如圖1所示。

然而，風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生TDRE，這導(dǎo)致葉片表面流動有展向分速度，不再單純地繞局部翼型進行縱向繞流，這種現(xiàn)象在布置VG中根部葉片區(qū)域尤為顯著。這意味著，由于TDRE影響，風(fēng)力機葉片表面VG的入流風(fēng)-傾斜的角度進入VG區(qū)域，VG陣列的布置也應(yīng)該考慮TDRE的影響。那么，在TDRE的影響，同向和反向VG的作用如何，現(xiàn)有研究較少，本文對此進行了深入研究。

1 研究方法

本文基于理論分析，采用CFD模擬為主，輔以試驗驗證，研究反向、同向VG在平板、Phase Ⅵ風(fēng)力機上的作用效果。平板模擬主要旨在揭示同向VG對和反向VG對在不同斜流下的作用機理。然后，基于Phase Ⅵ旋轉(zhuǎn)葉片，探究VG安裝方向、VG間距及其在不同風(fēng)速下對風(fēng)力機氣動性能的影響。

采用SST k-ω湍流模型來模擬流場并采用[γ-Reθt]轉(zhuǎn)捩模型來考慮轉(zhuǎn)捩的影響。Menter等［17］提出的SST k-ω湍流模型混合了k-ω模型的良好穩(wěn)定性和k-ε模型的獨立性，考慮了湍流剪切應(yīng)力對葉片的影響，可準(zhǔn)確預(yù)測流體的流動分離，且不會過度地估計湍流黏度，適用于模擬低雷諾數(shù)、近壁面流場。Langtry等［17］設(shè)計的[γ-Reθt]轉(zhuǎn)捩模型能夠有效地確定轉(zhuǎn)捩起始點和相關(guān)區(qū)域。[γ]用于描述轉(zhuǎn)捩區(qū)內(nèi)某點流動在有脈動狀態(tài)與無脈動狀態(tài)之間的時間比率。相關(guān)的控制方程如下：

[?ργ?t+?ρUjγ?xj=??xjμ+μtσγ?γ?xj+Pγ-Eγ] （1）

[Pγ=Flengthca1ρSγFonset0.51-γ] （2）

[Eγ=ca2ρΩγFturbce2γ-1] （3）

式中：[S]——應(yīng)變率幅值；[Ω]——渦量；[Fonset]和[Fturb]——轉(zhuǎn)捩控制函數(shù)；[ce2]、[σγ1]、[ca1]、[ca2]——轉(zhuǎn)捩常數(shù)；[Flength]——轉(zhuǎn)捩長度函數(shù)。

變量[Reθt]可表示為：

[?ρReθt?t+?ρUjReθt?xj=??xjσθtμ+μt?Reθt?xj+Pθt] （4）

[Pθt=cθtρtReθt-Reθt1.0-Fθt] （5）

[t=500μρU2] （6）

式中：[t]——物理時間；[Pθt]——混合函數(shù)，可控制方程的源項；[Reθt]——以轉(zhuǎn)捩位置處動量厚度[θt]為底的雷諾數(shù)；[cθt]、[μt]和[σθt]——轉(zhuǎn)捩常數(shù)。

2 計算方法

2.1 平板模型

基于平板上的VG來研究不同安裝模式下的流動機理。如圖1所示，VG采用三角形結(jié)構(gòu)，VG弦長[cVG=0.05 m]、高[h=0.02 m]。兩VG翼尖間距為0.04 m，安裝角[αVG=18°]。為方便后續(xù)的試驗驗證，建立如圖2所示的計算域，計算域尺寸和VG尺寸分別與文獻［18］風(fēng)洞試驗段尺寸和試驗對象尺寸保持一致，計算域長2 m、寬0.6 m，VG翼尖距入口0.53 m，來流風(fēng)速為[v=16] m/s。計算中加入底部邊界層效應(yīng)，使得模擬更具真實性與可靠性。為保證網(wǎng)格的質(zhì)量，VG翼面采用Y-Block方法生成網(wǎng)格。在ANSYS ICEM中生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，圖3為VG附近的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為305萬。定義入口為速度入口，自由處理出口，上下為壁面條件。

圖4為反向VG模擬結(jié)果與文獻試驗對比，縱坐標(biāo)為流向渦環(huán)量與速度比值，橫坐標(biāo)為間距與弦長比值。從圖4可看出，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)趨于一致，其中在間距較小時吻合度更好，隨著VG間距的增加，模擬值略高于試驗值，這是因為在模擬中無法捕捉到VG流向渦在下游發(fā)展過程中更為細節(jié)的渦結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。由圖4可知，模擬結(jié)果具有一定的精度，可用于進一步分析來流方向?qū)G作用效果的影響。

擬從如下工況研究不同VG的流動機理，其入流風(fēng)向分別為[αv=0°]、6°、12°、18°、24°，這里[αv]定義為入流風(fēng)與[x+]方向的夾角。當(dāng)入流風(fēng)速[αv]非0時，[v]與兩個VG的夾角不同，但兩者差值保持恒定，即[αVG1-αVG2=36°]，如圖5所示。需要注意的是，[αv=0°]為大部分前人基于翼型展開的入流情形。[αv=6°]、12°、18°、24°用來模擬研究旋轉(zhuǎn)效應(yīng)下氣流傾斜進入VG陣列的情形。此外，為便于比較，本文也相應(yīng)地分析[αv=0°]、6°、12°、18°、24°下同向VG的渦流場。

2.2 風(fēng)力機計算方法

為更好地驗證計算結(jié)果，風(fēng)力機以NREL Phase Ⅵ為研究對象。Phase Ⅵ風(fēng)力機為直徑10 m，采用S809翼型設(shè)計的定槳距風(fēng)力機。NREL實驗室在Phase Ⅵ風(fēng)力機試驗中，固定風(fēng)力機轉(zhuǎn)速為Ω=72 r/min，對[0.30R、0.47R、0.63R]、[0.80R、0.95R]這5個截面的壓力分布進行測試，也測試不同風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩的大小，這些試驗值均可為本研究提供驗證。

計算域模型及其外流場整體網(wǎng)格如圖6a所示。圖6b為VG安裝于葉片表面的位置，即20%弦長處、展向方向[0.30R～][0.50R]處，共計30組。模擬基于3套模型，即無、反向和同向VG葉片。VG選用三角翼結(jié)構(gòu)，其弦長[cVG=17] mm、高[h=5 mm]，安裝角[αVG=16.4°]。整體生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，加VG網(wǎng)格數(shù)約36.7×106。加密邊界層和VG附近網(wǎng)格進行，[y+]滿足計算要求。

邊界條件設(shè)置為：速度入口，自由出流。計算域分為旋轉(zhuǎn)、靜止兩個區(qū)域，通過interface傳遞，旋轉(zhuǎn)區(qū)域使用多參考系（multi-reference frame，MRF）方法來模擬葉片的旋轉(zhuǎn)運動。對計算區(qū)域的底部實施周期性的邊界處理，而前、后和上側(cè)邊界設(shè)置為靜止的壁面條件，葉片的表面視為無滑移壁面。

圖7為7～25 m/s風(fēng)速下，無VG和加VG旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)矩模擬結(jié)果及與試驗對比值。光滑葉片模擬結(jié)果與文獻［19］試驗數(shù)據(jù)基本一致，小風(fēng)速下模擬效果較好；大風(fēng)速下葉片處于失速狀態(tài)，模擬準(zhǔn)確性誤差略大，但基本吻合，這證明所建模型、網(wǎng)格劃分及算法可靠。另外通過對比光滑葉片與加裝VG葉片的兩條曲線可看出，加VG葉片的輸出轉(zhuǎn)矩較光滑葉片有所提升，印證了前述VG作用效果及其應(yīng)用在風(fēng)力機葉片上的可行性和研究價值。

基于上述研究，本文模擬轉(zhuǎn)速[Ω=72]、不同風(fēng)速（[v=7]、10、13、15 m/s）下無、反向和同向VG在旋轉(zhuǎn)葉片上的流動控制效果，包括葉片表面流場結(jié)構(gòu)，以及同向VG不同間距（[z=2h、3h、4h]）其作用效果的影響。

3 計算結(jié)果分析

3.1 同向和反向VG作用機理分析

圖8為不同入流風(fēng)向下VG誘導(dǎo)渦速度矢量圖。從圖8a可看出，當(dāng)[αv=0°]時，v與VG的夾角為18°，兩反向VG后方產(chǎn)生方向相反、渦強相同的兩個渦流，兩反向渦流同時將上部氣流卷入壁面。圖8b顯示，同向VG產(chǎn)生渦流旋轉(zhuǎn)方向一致，這導(dǎo)致兩渦流之間有存在干擾，如圖中箭頭所示。正因為此干擾，前人基于翼型或者固定翼的研究結(jié)果不建議采用同向VG。然而，隨著入流風(fēng)向改變，渦流情形發(fā)生了改變。如圖8a中[αv=6°]時，反向VG中右側(cè)產(chǎn)生的流向渦明顯減弱；對應(yīng)角度下，圖8a中同向VG優(yōu)之，其后方產(chǎn)生的旋渦大小相同，因[v]與VG形成的夾角增大到24°，其流向渦強略大于[αv=0°]時刻。圖8a中[αv=12°]時，反向布置中右側(cè)VG的渦流強度進一步削弱，因為v與右側(cè)VG夾角為6°，所以產(chǎn)生的渦流強度減??；此時圖8b中同向VG的作用效果未受較大影響。[αv=18°]時，反向布置中右側(cè)VG與[v]夾角為0°，這導(dǎo)致這片VG葉片作用效果幾乎為0，此時僅有左側(cè)VG在發(fā)揮作用；相比之下，同向VG表現(xiàn)出較好的渦發(fā)展態(tài)勢。[αv=24°]時，反向VG有向同向VG發(fā)展的趨勢。從上至下看渦核中心的位置，可看出同向布置中因右側(cè)VG少部分匯入左側(cè)VG渦中，給左側(cè)渦形成“向上托起和推動”作用，故同向VG流向渦渦核位置偏移量略大于反向VG，且左側(cè)渦核高度略高于右側(cè)，但渦強未受較大的影響。

從以上分析可看出，隨著入流風(fēng)傾斜角度增大，反向VG中有一片VG的作用逐漸消失，這時VG的作用將低于同向VG的性能；并且隨著傾斜角度繼續(xù)增大，反向VG的作用機理向同向VG布置的發(fā)展?；谶@樣的機理分析，推斷在風(fēng)力機TDRE的影響下，布置同向VG可能更加合理，只要增加VG間距即可削弱VG的干擾。

3.2 同向和反向VG對旋轉(zhuǎn)葉片流場的影響

分析無VG、反向VG同向VG下葉片各剖面翼型的流場情況。圖9為Ω=72 r/min、不同風(fēng)速下的葉片剖面流線圖。模擬數(shù)據(jù)顯示，在7 m/s的風(fēng)速下，氣流緊密貼合于葉片表面，這使得VG的影響不明顯。而當(dāng)風(fēng)速提升至10 m/s時，位于[0.47R]展向位置的無VG翼型表面在前緣處開始形成扁長的分離渦。VG可加強邊界層的動量，但反向VG的效果相對較弱，并在尾緣形成一個次級尾渦。與此相比，同向VG有效控制了前緣的分離，并在[20%c]處開始形成分離渦，其渦強度和渦的高度都比前兩種情況要小。在[0.63R]位置，無VG的翼型表面在30%c開始有流體繞流。而同向VG所形成的高能旋渦增強了翼型表面附近的流體動能，導(dǎo)致分離點向后偏移，分離渦的強度也明顯降低。反向VG的作用效果次之。在13 m/s的條件下，于0.30R位置，無VG的翼型表面從前緣起生成了兩個或更多的分離渦。加入VG后，前緣的分離渦顯著減小，氣流基本在前緣附近流動，而反向與同向VG的效果差異不大。在[0.80R]的位置，VG使分離點向后延遲，同向VG作用明顯。

圖9中3組圖顯示了VG位置。圖9a中無VG翼型前緣即產(chǎn)生分離渦，加VG后旋渦被抑制，說明了安裝VG的作用效果；圖9b中，無VG和反向 VG流線圖幾乎一致，此時的同向VG將延遲了分離點，分離渦的強度和渦核中心高度均有所降低；圖9c為葉片[0.63R]處，此處靠近葉尖，未安裝有VG，VG位于[0.30R～0.50R]處，但可看出，反向、同向VG的翼型表面流線仍優(yōu)于無VG，其中同向VG的作用效果優(yōu)之，即安裝VG后，對葉尖處也有促進作用。

3.3 同向和反向VG對旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪性能的影響

圖10為不同工況下葉片輸出轉(zhuǎn)矩值?？煽闯?，小風(fēng)速下數(shù)值模擬效果較好，10 m/s時無VG與試驗誤差為3.3%；加VG后輸出轉(zhuǎn)矩幾乎都有所提升，在[v=10]、13、15 m/s時較無VG葉片，反向 VG分別提升了3.73%、8.74%和10.82%；同向VG（[z=2h]）提升了11.42%、5.46%、9.75%。為驗證3.1節(jié)的想法，通過增加間距來減小同向VG間干擾，分析[z=3h]和[z=4h]兩個間距的影響。圖10顯示，[z=3h]時在[v=10]、13、15 m/s下較無VG葉片分別提升了6.61%、9.62%、17.88%，作用效果最好。

分析上述原因為，探究同向VG不同間距時的作用效果，得出當(dāng)[z=3h]時葉片表面壓差值最大，翼型前緣表面附著流動較好，此時VG增大前緣吸力值幅度較大，作用效果最佳。且[z=3h]時同向VG可進一步推后分離點位置，更好地抑制了翼型前緣的分離渦。故[z=3h]為同向VG最佳安裝間距，VG安裝間距較小或較大，其作用效果均有減弱。

4 結(jié) 論

本文提出在三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響下，同向VG布置對旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機的流動控制作用更加明顯；并通過平板和Phase Ⅵ風(fēng)力機展開研究。

1）隨入流風(fēng)偏斜角度增大，反向VG中有一片VG作用逐漸經(jīng)歷了減弱、消失、后趨于同向VG的變化。由于一片VG葉片作用在弱化，因此大傾斜入流角下反向VG的性能弱于同向VG。

2）適當(dāng)擴大同向VG之間的間距可消除其對流向渦的影響。在旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響下，當(dāng)葉片剖面翼型接近失速攻角時，同向VG的性能超越了反向VG。

3）添加VGs可增加葉片的轉(zhuǎn)矩輸出，從而提升風(fēng)力機的功率輸出。在72 r/min、10 m/s的條件下，與無VG葉片相比，反向和同向VG分別使輸出轉(zhuǎn)矩增加了3.73%和11.42%。

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APPLICATION ANALYSIS OF CO-ROTATING AND COUNTER-ROTATING VORTEX GENERATORS IN WIND TURBINES

Zhao Shuchun1，Zheng Kangle1，Ma Junxiang1，Dang Zhengwen1，Han Jianfeng1，Zhao Zhenzhou2

（1. Huaneng Anyang Energy Co.， Ltd.， Anyang 455000， China；

2. School of Energy and Electrical Engineering， Hohai University， Nanjing 211100， China）

Abstract：We employed the transition model to examine both counter-rotational （Cot） and co-rotational （Co） VGs， initially focusing on a plane before analyzing the NREL Phase Ⅵ wind turbine. The plane-based VG study aimed to understand Cot-and Co-VGs behavior under large inflow angles. Analyzing the flow field across sections and the output torque at varying wind speeds， we explored the VGs installation impacts under TDRE. The simulation findings were juxtaposed with NREL test data， confirming that our calculations align well with experimental values， with a peak torque error of 9.3%. Results from the plane study indicated that Cot-VGs’behavior starts resembling that of Co-VGs， with the former displaying reduced efficiency at extensive inflow angles. Findings from the wind turbine study revealed that VGs enhance blade output power and delay the airfoil surface’s separation point， particularly prominent at the leading edge. With the wind turbine’s TDRE in play， Co-VGs demonstrate superior performance over Cot-VGs.

Keywords：wind turbines； numerical simulation； flow control； co-rotational vortex generators； phase Ⅵ wind turbine； rotational effect