風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動(dòng)性能數(shù)值模擬

王博，祁文軍，孫文磊，姜超

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830000;2.三峽新能源有限公司，新疆烏魯木齊830000)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是整個(gè)風(fēng)力機(jī)中最為關(guān)鍵的部分，其氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接決定風(fēng)力機(jī)的工作效率和運(yùn)行壽命。因此，風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)性能計(jì)算是非常關(guān)鍵的工作。為了不斷提高設(shè)計(jì)和計(jì)算的準(zhǔn)確性，國內(nèi)外許多專家和學(xué)者在不斷研究和探索的基礎(chǔ)上提出了很多有效的理論和方法，主要包括葉素動(dòng)量理論、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、外場實(shí)驗(yàn)及CFD數(shù)值模擬。其中CFD數(shù)值模擬方法是近年逐漸發(fā)展起來的理論和方法，在計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)硬件的不斷發(fā)展推動(dòng)下，逐步發(fā)展并不斷走向成熟，為認(rèn)識風(fēng)力機(jī)的流動(dòng)性能提供了新的途徑。與前3種理論方法相比，有許多方面的優(yōu)勢和更好的發(fā)展前景。CFD數(shù)值模擬技術(shù)可以方便快捷地計(jì)算出流場流動(dòng)的各個(gè)定量結(jié)果，便于對各種流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，對后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供指導(dǎo)，避免了設(shè)計(jì)過程的盲目重復(fù)性，提高了風(fēng)力機(jī)的整體設(shè)計(jì)水平，大幅度縮短了研制周期，降低了研制成本，代替了大量的實(shí)驗(yàn)，成為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與分析的不可替代的工具［1-6］。

CFD是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，就好像是在計(jì)算機(jī)上做一次全尺寸的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。目前的應(yīng)用主要集中在風(fēng)電葉片翼型氣動(dòng)特性數(shù)值模擬、風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能模擬及氣動(dòng)彈性計(jì)算等方面［7］。然而，要將CFD直接應(yīng)用于工程計(jì)算，并獲得可信賴的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，還存在計(jì)算域尺度與邊界條件的合理選取、能夠滿足計(jì)算精度要求的網(wǎng)格質(zhì)量與網(wǎng)格數(shù)目的選擇以及合適的湍流模型選擇等問題。

作者應(yīng)用UG軟件完成750 kW風(fēng)力機(jī)葉輪和用于數(shù)值模擬的風(fēng)力機(jī)流場的三維幾何建模，利用專用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT劃分網(wǎng)格，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)CFD中已被廣泛應(yīng)用的Fluent軟件，對風(fēng)力機(jī)建模葉片在額定風(fēng)速和12個(gè)非額定風(fēng)速工況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，分析多個(gè)風(fēng)速工況下的風(fēng)力機(jī)建模葉片的氣動(dòng)性能特點(diǎn)和差異，模擬仿真葉片氣動(dòng)流場，計(jì)算葉輪的受力、扭轉(zhuǎn)力矩、輸出軸功率和風(fēng)能利用效率等性能參數(shù) ，觀察葉輪表面的壓強(qiáng)分布、流速分布、湍流強(qiáng)度、流速矢量等流態(tài)圖，驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬的可靠性，并以現(xiàn)場750 kW葉片實(shí)際測得的功率數(shù)據(jù)曲線作為依據(jù)，驗(yàn)證葉片建模的合理性及計(jì)算機(jī)仿真葉片的氣動(dòng)性能是否滿足現(xiàn)場的要求。

1 數(shù)值模擬計(jì)算基礎(chǔ)——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方程

文中研究對象屬于湍流模型，通過分析模型屬于重整化k-ε模型 (RNG k-ε模型)。

RNG k-ε模型的輸運(yùn)方程為:

其中:

式中:Gk表示平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生; Gb表示浮力影響引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生;YM表示可壓湍流脈動(dòng)膨脹對總的耗散率的影響。

FLUENT中，默認(rèn)常數(shù)值為，C1ε=1.44，C2ε= 1.92，Cμ=0.09，湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為σk=1.0，σε=1.3，αk和αε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

湍流黏性系數(shù)計(jì)算公式為:

在FLUENT中，用RNG k-ε模型時(shí)，默認(rèn)設(shè)置為高雷諾數(shù)流動(dòng)問題。如果是低雷諾數(shù)問題，必須進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

RNG模型在ε方程中加了一個(gè)條件，又考慮到了湍流漩渦，還提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性的解析公式，這些特點(diǎn)使得RNG k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有更高的可信度和精度。

2 建模、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

2.1 幾何建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù)為:額定功率為750 kW，額定風(fēng)速為15.0 m/s，啟動(dòng)風(fēng)速為4.0 m/s，切出風(fēng)速為25.0 m/s，極大風(fēng)速為70.0 m/s，功率調(diào)節(jié)方式為失速，風(fēng)輪直徑為48.4 m，輪轂高度為50 m，葉片材料為玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，葉片端線速度為57.4 m/s，風(fēng)力機(jī)尖速比為3.83，葉輪額定轉(zhuǎn)速為22.5 r/min，葉輪直徑為48.4 m，掃風(fēng)面積為1 840.0 m2，三葉片，選用NACA 4412翼型進(jìn)行葉片建模。

風(fēng)力機(jī)幾何建模包括:葉片建模，3葉片復(fù)制和旋轉(zhuǎn)體建模，輪轂建模，葉片周圍流場建模，風(fēng)力機(jī)流場建模和整機(jī)流場建模，見圖1、圖2。

圖1 葉輪幾何建模

圖2 整機(jī)流場幾何建模

葉輪旋轉(zhuǎn)流場是包羅葉輪的扁圓盤，旋轉(zhuǎn)中心指向進(jìn)風(fēng)口方向4.0 m，指向出風(fēng)口方向6.0 m，半徑30.0 m。整機(jī)流場是包羅整個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)流場的流場，整個(gè)風(fēng)場由一個(gè)長方體和一個(gè)半圓體構(gòu)成，長方體的長、寬、高分別為350、250、50 m，半圓體的半徑為125 m。旋轉(zhuǎn)中心到進(jìn)風(fēng)口 150 m，到出風(fēng)口200 m。

網(wǎng)格劃分采用4面體網(wǎng)格。其中:旋轉(zhuǎn)流場節(jié)點(diǎn)209 568個(gè)，網(wǎng)格1 150 464個(gè);靜止流場節(jié)點(diǎn)54 464個(gè)，網(wǎng)格282 124個(gè);總共節(jié)點(diǎn)264 032個(gè)，網(wǎng)格1 432 588個(gè)，見圖3、圖4。

圖3 葉輪旋轉(zhuǎn)流場網(wǎng)格劃分

圖4 整機(jī)流場網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件設(shè)定

此次三維模型的氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算采用分離式求解器 (Segregated)，三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng) (3D，Steady)，速度是絕對速度 (Absolute)，隱式求解 (Implicit)，RNG k-ε模型，流體材料設(shè)為空氣。動(dòng)量采用二階迎風(fēng)離散格式 (Second Order Up-wind)。壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。

速度進(jìn)口為15.0 m/s，同時(shí)計(jì)算變工況下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬。風(fēng)速變化為:4.0，6.0，8.0，10.0，12.0，14.0，15.0，16.0，18.0，20.0，22，24.0，25 m/s。自由出口。進(jìn)出口之間壁面模擬為風(fēng)洞壁面，靜止無滑移。葉輪旋轉(zhuǎn)流體采用MRF模型，額定轉(zhuǎn)速22.55 r/min，方向右手定則確定。

對于葉片壁面和近壁面區(qū)域采用動(dòng)參考系(MRF)模型 (Multiple Reference Frame Model)。其中葉片壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，相對旋轉(zhuǎn)流場旋轉(zhuǎn)速度為0，方向右手定則確定。對于近壁面區(qū)域，采用壁面函數(shù)法。在黏性流體流場中壁面處默認(rèn)為非滑移邊界條件。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比

在額定工況和變工況下對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)數(shù)值模擬，計(jì)算收斂結(jié)束后，輸出各個(gè)工況下風(fēng)力機(jī)的繞軸旋轉(zhuǎn)扭矩及軸力，并對記錄的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和葉片已知數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，得到對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩功率，將其與現(xiàn)場測試的750 kW風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)功率曲線對比，二者的功率曲線對比如圖5所示。

圖5 750 kW風(fēng)力機(jī)計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)測輸出功率曲線對比

從圖5中可以看出:

(1)利用FLUENT軟件對750 kW建模葉片在額定風(fēng)速和啟動(dòng)風(fēng)速到切出風(fēng)速的各個(gè)工況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬計(jì)算，因?yàn)槟M時(shí)不考慮風(fēng)力機(jī)變槳距以及風(fēng)力機(jī)內(nèi)部的功率損耗等影響，可以說是在理想狀態(tài)下對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行的數(shù)值模擬，風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速基本上成3次方曲線增長，這和理論上的風(fēng)力機(jī)輸出功率計(jì)算公式相符。通過對風(fēng)力機(jī)建模葉片進(jìn)行氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算，得出風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)扭矩功率，在15 m/s額定風(fēng)速情況下，模擬得到的轉(zhuǎn)矩功率為768.4 kW，與額定功率750 kW誤差只有2.5%，基本達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，說明基于FLUENT的風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬計(jì)算和仿真是可靠的，也是可行的。

(2)在低于額定風(fēng)速15 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率和建模葉片氣動(dòng)性能數(shù)值模擬理想轉(zhuǎn)矩功率相差比較小，主要原因是在低于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)變槳距不對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而風(fēng)速較小時(shí)對應(yīng)的功率損耗也較小，這就使風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)接近于數(shù)值模擬時(shí)的邊界條件，即理想狀態(tài)。

(3)在風(fēng)速大于15 m/s時(shí)，實(shí)際輸出功率和模擬計(jì)算的理想輸出功率相差較遠(yuǎn)，原因是風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)變槳距開始工作，會通過槳距調(diào)節(jié)，限制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，以保護(hù)風(fēng)機(jī)，延長使用壽命，提高風(fēng)力機(jī)工作穩(wěn)定性，其結(jié)果必然降低風(fēng)力機(jī)的功率和風(fēng)能利用率;同時(shí)也因風(fēng)速加大，變速箱及傳動(dòng)軸間的摩擦等功率損耗會加大，這些都導(dǎo)致風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)實(shí)際輸出功率幾乎不增大，甚至減小。而數(shù)值模擬中并不會考慮這些因素，還按照理論上的功率輸出關(guān)系模擬計(jì)算其模擬輸出功率，按照3次方曲線方式增長。

(4)結(jié)合風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，不可能讓風(fēng)力機(jī)功率隨著風(fēng)速不斷增大，因此數(shù)值模擬計(jì)算的理想輸出功率在小于額定輸出功率時(shí)會更接近于實(shí)際，而風(fēng)力機(jī)絕大部分時(shí)間工作在小于或接近額定風(fēng)速的工作狀態(tài)下，這樣，對于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的研究在小于額定風(fēng)速時(shí)會更有實(shí)際意義。而從圖3中可以看到，小于額定風(fēng)速時(shí)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常接近，從而證明了建模葉片氣動(dòng)性能較好地滿足了實(shí)際的需要，也證明了利用FLUENT軟件研究風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能振動(dòng)特性是完全可行的。

4 風(fēng)力機(jī)葉輪及周圍流場壓力、速度的分布特性

圖6—17分別為葉輪、流場出入口、葉輪周圍旋轉(zhuǎn)流場這3個(gè)區(qū)域的壓強(qiáng)與速度的分布圖與跡線圖，能直觀地、感性地認(rèn)識和觀察葉輪及周圍流場的氣動(dòng)特性和流動(dòng)現(xiàn)象，以及壓力、流速等重要?dú)鈩?dòng)參數(shù)的分布規(guī)律，并能很好地觀察葉輪以及風(fēng)力機(jī)周圍的流場分布。

從圖6、圖7可以看到:葉輪正面為迎風(fēng)面，在遇到葉輪阻礙之前，沒有發(fā)生流場的較大變化，因而氣動(dòng)壓強(qiáng)分布較為均勻;而葉輪背面卻因?yàn)闅饬魍ㄟ^旋轉(zhuǎn)葉輪時(shí)，紊流現(xiàn)象急劇加強(qiáng)，導(dǎo)致葉片表面流場發(fā)生了較大變化，故氣動(dòng)壓強(qiáng)分布表現(xiàn)出明顯的不均勻性。

圖6 葉輪正面氣動(dòng)壓強(qiáng)分布圖

圖7 葉輪背面氣動(dòng)壓強(qiáng)分布圖

從圖8、圖9可以看到:葉輪正面和背面的速度分布幾乎沒有變化，但是由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了周圍氣流的旋轉(zhuǎn)，從而在接近葉輪周圍的圓柱形區(qū)域，空氣流場幾乎和葉輪同步旋轉(zhuǎn)。因而在選擇風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬邊界條件時(shí)，設(shè)定這一區(qū)域是和風(fēng)輪同步旋轉(zhuǎn)的動(dòng)流場，計(jì)算結(jié)果表明是正確合理的。

圖8 葉輪正面氣動(dòng)速度分布圖

圖9 葉輪背面氣動(dòng)速度分布圖

從圖10、圖11可以看到:在風(fēng)力機(jī)葉輪周圍空氣受阻，氣動(dòng)壓強(qiáng)大，遠(yuǎn)離風(fēng)力機(jī)區(qū)域空氣受阻力小，氣動(dòng)壓強(qiáng)小，符合實(shí)際流場的空氣流動(dòng)特性。

從圖12、圖13可以看到:進(jìn)出口的空氣速度分布有較大的不同，這主要是因?yàn)榭諝鈿饬髟谕ㄟ^葉片風(fēng)輪前紊流較弱，而通過風(fēng)力機(jī)葉輪后，空氣氣流發(fā)生了明顯的紊流現(xiàn)象，流場中速度分布也隨之發(fā)生明顯變化。

圖10 流場入口氣動(dòng)壓強(qiáng)分布圖

圖11 流場出口氣動(dòng)壓強(qiáng)分布圖

圖12 流場入口氣動(dòng)速度分布圖

圖13 流場出口的氣動(dòng)速度分布圖

從圖14、圖15可以看到:風(fēng)力機(jī)葉輪及周圍旋轉(zhuǎn)流場中壓強(qiáng)和速度的分布規(guī)律，葉輪處于旋轉(zhuǎn)中，故靠近葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域速度大，遠(yuǎn)離葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域的速度減小;同樣，由于空氣氣流速度的影響，葉輪及周圍區(qū)域的氣流壓強(qiáng)也隨之發(fā)生變化，呈現(xiàn)和速度相呼應(yīng)的分布特點(diǎn)。

圖14 葉輪周圍旋轉(zhuǎn)流場氣動(dòng)壓強(qiáng)圖

圖15 葉輪周圍旋轉(zhuǎn)流場速度分布圖

從圖16、圖17中可以看到:通過FLUENT軟件 建立風(fēng)力機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)流場，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到的葉輪表面的壓強(qiáng)和速度跡線圖非常直觀、形象地描述了葉輪表面的壓強(qiáng)和速度流場的動(dòng)態(tài)變化和分布，總的來看，按照旋轉(zhuǎn)方向呈流線型分布。

圖16 葉輪旋轉(zhuǎn)流場氣動(dòng)壓強(qiáng)跡線圖

圖17 葉輪旋轉(zhuǎn)流場速度跡線圖

5 結(jié)論

(1)以NACA63XXX翼型葉片為基礎(chǔ)，通過UG軟件完成750 kW風(fēng)力機(jī)葉輪和用于數(shù)值模擬的風(fēng)力機(jī)流場的三維幾何建模，利用專用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT劃分網(wǎng)格，最后在FLUENT軟件中針對額定風(fēng)速和12個(gè)非額定風(fēng)速的工況進(jìn)行氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同風(fēng)速工況下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的特點(diǎn)和差異。通過風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn):風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出功率與風(fēng)速成3次方曲線增長，符合風(fēng)力機(jī)輸出功率公式;得出的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)扭矩功率和750 kW風(fēng)力機(jī)額定功率基本一致，得到的功率曲線在低于額定功率時(shí)也與現(xiàn)場實(shí)測750 kW葉輪得到的功率曲線相符，說明建模葉片的氣動(dòng)性能基本符合750 kW機(jī)組的技術(shù)要求，基于FLUENT的風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬計(jì)算和仿真是可靠的、可行的。

(2)觀察葉輪表面以及整機(jī)周圍流場的壓強(qiáng)分布、流速分布、湍流強(qiáng)度、速度矢量等動(dòng)態(tài)云圖，可以直觀和感性地認(rèn)識和觀察葉輪和整機(jī)周圍流場的氣動(dòng)特性和流動(dòng)現(xiàn)象，以及其壓力、流速等氣動(dòng)參數(shù)的分布特點(diǎn)，并且能很好地觀察葉輪以及整機(jī)周圍的流場分布。

(3)將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行分析，有利于研究風(fēng)力機(jī)葉輪及整機(jī)氣動(dòng)性能和運(yùn)行情況，數(shù)值模擬仿真研究在一定程度上可以替代實(shí)際風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，在成本、效率方面有不可替代的優(yōu)勢，也豐富了對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)分析的手段和方法，為風(fēng)力機(jī)葉片及整機(jī)的設(shè)計(jì)、改型和研發(fā)工作提供技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)意見。

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