基于多重參考模型的風(fēng)電場風(fēng)機(jī)尾流模擬

曾利華，張國

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市 050031)

?

基于多重參考模型的風(fēng)電場風(fēng)機(jī)尾流模擬

曾利華，張國

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市 050031)

為了研究三維旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪的尾流流動情況，利用多重參考模型(moving reference frame，MRF)數(shù)值模擬給定風(fēng)機(jī)的尾流情況，針對風(fēng)機(jī)在不同的入口風(fēng)速和槳距角的情況下，對其尾流流場的速度和壓力分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場的速度、壓力分布及尾流、入口風(fēng)速和槳距角變化對整個流場的影響與實際情況一致。該方法能預(yù)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能和尾流湍流情況，并達(dá)到仿真風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動流場的目的，用數(shù)值模擬的方法部分取代模型機(jī)的實驗，既可縮短實驗時間、節(jié)約實驗成本、縮短研發(fā)周期，又能為機(jī)組運(yùn)行提供可靠的建議。

風(fēng)電場；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；尾流；數(shù)值模擬；模型機(jī)

0 引 言

風(fēng)電場三維流場的精確模擬相對比較復(fù)雜，主要包括風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計、風(fēng)機(jī)建模、風(fēng)電場建模及網(wǎng)格劃分、風(fēng)電場三維流場數(shù)值模擬的計算條件設(shè)定、風(fēng)電場三維流場求解幾個部分。Sung C H等[1]采用B-L零方程湍流模型計算了流場，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得出此方法可以預(yù)測翼型前端的渦旋大小；Parneix S等[2]等通過v2f模型-修正標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，并采用一定的假設(shè)而得，計算了翼型繞流的流場，并與Simpson等人的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果良好，特別是的翼型的邊緣。Deng G等[3]采用新的Reynold應(yīng)力模型Rij-ω模型也做了類似的工作。劉沛清[4]利用大渦模擬技術(shù)對不同來流攻角下的NACA0012翼型繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了翼型繞流分離流隨攻角的變化特征和翼型在分離流中的氣動參數(shù)；Gadel-Hak M等[5]對俯仰翼型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)升力面在低速和高速流場內(nèi)俯仰振動時，繞升力面的流場及氣動力在其上仰和下俯相同迎角瞬間是不同的；褚洪杰[6]等選取4個線性湍流模式、4個非線性渦粘性湍流模式和1個顯式代數(shù)應(yīng)力模式對繞翼型的不可壓縮分離流動進(jìn)行了數(shù)值模擬；1993年，Menter F R等[7]提出了k-ωSST模型。該模型混合了k-ε和k-ω這2種模型，描述了剪切應(yīng)力在具有逆壓梯度的邊界層的傳輸過程，該模型能適應(yīng)壓力梯度變化的各種物理現(xiàn)象；通過壁函數(shù)的應(yīng)用，精確地模擬邊界層的現(xiàn)象，無須使用較容易失真的粘性衰減函數(shù)。2000年，文獻(xiàn)[8]提出了湍流模型分離渦模擬方法方法，綜合了雷諾平均方程與大渦模擬的優(yōu)點(diǎn)，使大雷諾數(shù)下大分離流動的數(shù)值模擬方法提高一大步。在近壁面雷諾平均方程的湍流模型特性，而在遠(yuǎn)壁面處表現(xiàn)為大渦模擬的亞格子模型的特點(diǎn)。但根據(jù)實際應(yīng)用成果[9]情況來看，此種方法雖然能給出較詳細(xì)的流場分布，但計算出的風(fēng)機(jī)整體的氣動性能并沒有改觀，且計算必須是非穩(wěn)態(tài)的，需要耗費(fèi)大量的計算機(jī)資源。曾利華等[10]只對尾流以及迭加模型進(jìn)行了研究，尚未進(jìn)行數(shù)值模擬。

實際情況下，在風(fēng)的作用下，當(dāng)升力大于阻力時，風(fēng)機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在旋轉(zhuǎn)的作用下，旋轉(zhuǎn)葉片的附面層內(nèi)氣流受離心力的作用而產(chǎn)生徑向流，使得葉片翼型上的壓力分布、速度分布遠(yuǎn)復(fù)雜于二維靜止翼型的情況。在整個風(fēng)電場中，若風(fēng)機(jī)間的布置不合理，上游的風(fēng)機(jī)尾流將可能影響到下游的風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)速及穩(wěn)定性。本文采用三維的數(shù)值計算方法研究風(fēng)場的速度、壓力分布及尾流，及入口風(fēng)速和槳距角變化對整個流場的影響，使得數(shù)值模擬結(jié)果更加接近現(xiàn)實。

1 模型建立

1.1 風(fēng)場模型的建立和網(wǎng)格劃分

因風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動對上游的影響較小，而對尾流的影響較大。計算區(qū)域選擇上風(fēng)向約為風(fēng)輪直徑5倍，下風(fēng)向選擇約風(fēng)輪直徑10倍，如圖1所示。網(wǎng)格的劃分采用非均勻的網(wǎng)格，因為在風(fēng)輪附近區(qū)域空氣的湍流度最大，變化最為復(fù)雜，因此需要對其進(jìn)行局部加密處理，如圖2所示。

圖1 風(fēng)機(jī)及計算的區(qū)域

圖2 計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分

1.2 風(fēng)場數(shù)值求解

1.2.1 假定條件及求解方法

實際風(fēng)機(jī)在正常的工作時，旋轉(zhuǎn)葉片周圍空氣的具體流動狀態(tài)及分布是未知，然而空氣處于湍流狀態(tài)是肯定的。在本文的研究過程中，將風(fēng)輪放置在來流均勻不變的風(fēng)洞中進(jìn)行數(shù)值實驗研究，也即

忽略了自然風(fēng)均勻性、方向性和脈動性的影響。由于空氣流經(jīng)風(fēng)輪過程中，溫度變化不大，在極短的時間段內(nèi)流場各物理量變化不大，馬赫數(shù)也較低，故在計算過程中，假設(shè)研究湍流問題為穩(wěn)態(tài)不可壓縮空氣流動問題，流動過程與外界無換熱(即不考慮能量方程)。

本文采用三維穩(wěn)態(tài)隱式解法，湍流模型采用較成熟的k-ε模型，對于近壁區(qū)域采用壁函數(shù)法，壓力-速度耦合采用simple算法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。

1.2.2 邊界條件

(1)由假設(shè)來流均勻可知，風(fēng)洞入口可設(shè)定為速度入口條件。

(2)風(fēng)洞出口為壓力條件或自由出流。

(3)小控制體的加入是為了局部加密網(wǎng)格而引入的，小控制體的各面設(shè)定邊界條件為interface(適用于網(wǎng)格不一致的情況)。

(4)風(fēng)洞壁面選擇邊界條件為wall。對于粘性流動，物面速度采用無滑移條件。

1.2.3 轉(zhuǎn)動條件

三維動態(tài)風(fēng)場中，風(fēng)機(jī)是不停轉(zhuǎn)動的。實現(xiàn)流體的旋轉(zhuǎn)，在Fluent中可以由MRF、Mixingplane、滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格技術(shù)來實現(xiàn)。由于研究問題中不存在靜子和轉(zhuǎn)子區(qū)域的區(qū)分，也無法界定混合面兩面的進(jìn)出條件，實現(xiàn)不了混合平面對的平均，因此Mixingplane技術(shù)無法實現(xiàn)；滑移網(wǎng)格一般用來解決非穩(wěn)態(tài)問題，也強(qiáng)調(diào)交界面，這恰是研究問題所無法確切界定的問題，因此，該方法也不適合；動網(wǎng)格技術(shù)主要考慮到了邊界發(fā)生形變的情況，而不是剛性邊界，另外引入了自定義函數(shù)(user-definedfunction,UDF)等許多精確處理方法，對于本文的三維問題，采用動網(wǎng)格技術(shù)將非常復(fù)雜且必要性不是很大。故采用MRF來研究三維的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場。

2 風(fēng)場速度和壓力分布

在數(shù)值計算中，風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速假設(shè)不變，且額定轉(zhuǎn)速為14.4r/min。以槳距角4.5°、入流速度13m/s的風(fēng)場為例，采用MRF來研究三維的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場，對其計算結(jié)果進(jìn)行分析，如圖3為其計算的各項參差的收斂過程。

2.1 葉片表面速度和壓力分布

根據(jù)MRF的模擬結(jié)果，葉片表面迎風(fēng)面與背風(fēng)面的速度與壓力分布圖如圖4、5所示。

如圖4所示，風(fēng)輪葉片的正、背面的風(fēng)速分布是一致的，風(fēng)輪半徑越大，速度越大，滿足速度與轉(zhuǎn)速和

圖3 各項參差的收斂過程

圖4 風(fēng)機(jī)葉片速度分布

半徑的乘積關(guān)系。從圖5可見，葉片的正面壓力為正，且葉片正面翼型的前緣壓力較大，而相對的后緣背面為負(fù)壓，為空氣從葉片繞流所致，正是葉片正反面的壓力差促使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。

2.2 流場中各觀測面速度分布

分別從x、y、z這3個方向觀測到不同觀察面的流速分布，如圖6所示。

圖5 風(fēng)機(jī)葉片表面壓力分布

由圖6可知：

(1)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)存在復(fù)雜的尾流，而對其上游風(fēng)場影響較小。圖6(a) (b)給出的是z=0和y=0截面的速度圖云(左)和等速線(右)分布，可以看出距風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn)，速度梯度的變化越小。這是由于旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)吸收部分風(fēng)能后，使得風(fēng)速減小，這種風(fēng)速減小的區(qū)域與下游對流，在尾流和自由氣流之間風(fēng)速梯度會引起附加的切變湍流，形成復(fù)雜的混合尾流，隨著遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)，這種尾流變得更寬更淺，直至這個氣流在下游遠(yuǎn)處完全恢復(fù)(考慮到計算量太大，本文算例計算了風(fēng)力機(jī)后的800 m的區(qū)域)。在風(fēng)機(jī)和機(jī)架之后，風(fēng)速較小，隨著距離風(fēng)機(jī)越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大，這是符合能量守恒方程。旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)的阻擋作用，使得在風(fēng)機(jī)前方附近區(qū)域風(fēng)速有所降低，但影響范圍很小。

(2) 由圖6(a)與 (b)對比可見，圖(b)中的等速線分布極為對稱；由于地面和機(jī)架的影響，圖(a)中的等速線呈不對稱分布。地面對臨近來流存在較大影響，降低了來流的風(fēng)速；由z=0和x方向的各截面的速度分布分析，機(jī)架不僅降低其后風(fēng)速，使尾流情況更加復(fù)雜，而且阻擋前方來流，降低了風(fēng)速和改變了來流方向，從而影響風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，這與實際情況較為吻合。因此，盡可能增加機(jī)架高度可降低地面對風(fēng)機(jī)的影響，減小機(jī)架的迎風(fēng)面積可減小對風(fēng)場的影響范圍。

圖6 流場中各觀測截面的速度云圖和等速線分布

(3) 在風(fēng)輪平面的等速度線如圖6(c)所示，可見在葉輪周圍等速線的密度較大，而在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)輪周圍區(qū)域，等速線較稀疏，主要是由于風(fēng)力作用于葉輪，葉輪轉(zhuǎn)動，引起速度與壓力之間的轉(zhuǎn)化梯度較大而引起的。

2.3 葉片周圍速度和壓力分布

根據(jù)MRF的模擬結(jié)果葉片表面迎風(fēng)面與背風(fēng)面的速度與壓力分布圖如圖7～9所示。

圖7 z=5 m截面處翼型周圍壓力和速度分布

圖8 z=30 m截面處翼型周圍壓力和速度分布

從圖7～9可知，靠近翼型前緣正面(下表面)壓力較大，而在相對的背面(上表面)壓力較小，甚至為負(fù)壓；在速度分布圖中，靠近翼型前緣背面速度較大，正面風(fēng)速較小，與實際翼型特性也是吻合的。

3 槳距角變化對風(fēng)場的影響

葉片槳距角是影響風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率的重要參數(shù)，可以在葉根調(diào)節(jié)整個葉片的槳距角。本文計算出不同槳距角下的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T，并由下式分別求出軸功率P和風(fēng)能利用系數(shù)Cp:

圖9 z=35 m截面處翼型周圍壓力和速度分布

P=Tω

(1)

(2)

式中：ω為葉片轉(zhuǎn)速，rad/s；ρ為空氣密度，kg/m3；υ為上游風(fēng)速，m/s；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，m2。

風(fēng)場入口風(fēng)速(上有風(fēng)速)保持設(shè)計風(fēng)速13 m/s，風(fēng)輪以額定轉(zhuǎn)速14.4 r/min轉(zhuǎn)動，槳距角的變化情況及其相應(yīng)的計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同槳距角下的扭矩、功率及風(fēng)能利用效率的變化

Table 1 changes of torque, power and wind energy utilization efficiency under different pitch angle

由表1分析可得，槳距角的微小變化對扭矩、功率及風(fēng)能利用系數(shù)有顯著的影響。隨著槳距角的增加，三者先增大后減小，在槳距角為4.5°時，三者達(dá)到了最大。當(dāng)風(fēng)場入口風(fēng)速為13 m/s，風(fēng)輪以額定轉(zhuǎn)速14.4 r/min轉(zhuǎn)動，槳距角為4.5°時，設(shè)計的風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行正槳距角的調(diào)節(jié)時，將引起設(shè)計槳距角的增加，從而減少了攻角；相反，負(fù)槳距角的設(shè)置增加了攻角，而且可能導(dǎo)致失速的產(chǎn)生。

在設(shè)計風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，當(dāng)槳距角大于最佳槳距角4.5°時，風(fēng)場尾流的等速線分布較疏，這是因為此時攻角減小，來流沿葉片表面流過，對尾流影響變小；當(dāng)槳距角小于最佳槳距角4.5°時，此時攻角增大，來流將脫離葉片表面，嚴(yán)重時將在葉片附近出現(xiàn)很明顯的漩渦流動，引起失速，因此，風(fēng)場尾流的等速線分布較密且變得更加復(fù)雜。

4 風(fēng)速變化對風(fēng)場的影響

風(fēng)速因受各種因素影響不斷變化，且風(fēng)速變化將影響風(fēng)力機(jī)功率和效率。為了研究風(fēng)場中風(fēng)速變化的影響，在槳距角分別為4.5°和9°時，對不同來流風(fēng)速的風(fēng)場進(jìn)行了計算，如圖10、11所示。

圖10 風(fēng)速變化對功率的影響

圖11 風(fēng)速變化對風(fēng)能利用系數(shù)的影響

由圖10可知：(1) 當(dāng)風(fēng)機(jī)在設(shè)計風(fēng)速下以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，風(fēng)輪將運(yùn)行在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)。在槳距角一定時，入口風(fēng)速減小時，來流攻角將減小，來流沿葉片表面流過，對尾流影響變小，所以尾流的等速線分布較疏，如圖入口風(fēng)速為7 m/s的尾流情況；相反，入口風(fēng)速增大時，攻角將增大，來流將脫離葉片表面，嚴(yán)重時將在葉片附近出現(xiàn)很明顯的漩渦流動，引起失速，因此，風(fēng)場尾流的等速線分布較密且變得更加復(fù)雜，如圖入口風(fēng)速為16、25 m/s的尾流情況。(2) 在額定轉(zhuǎn)速和槳距角一定時，隨著風(fēng)速增加，風(fēng)機(jī)功率是一直增加的。這是因為風(fēng)速增大，風(fēng)機(jī)受力增加，從而使得扭矩和功率增大。

風(fēng)能利用系數(shù)并非隨風(fēng)速增加而一直增大，而是先增大，當(dāng)達(dá)到一定風(fēng)速時，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最高，隨后逐漸減小。由圖11可知，在設(shè)計風(fēng)速13 m/s時，風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到了最大，這說明設(shè)計和數(shù)值計算的結(jié)果是吻合的，與實際風(fēng)場情況是相符的，因此，設(shè)計和數(shù)值計算結(jié)果均是可信的

5 結(jié) 論

(1)三維動態(tài)數(shù)值模擬計算能有效地反映風(fēng)場的壓力和風(fēng)速分布，能較好顯示出風(fēng)機(jī)葉片附近的流場分布及尾流情況；槳距角和入流風(fēng)速變化對尾流有很大影響。與處于設(shè)計風(fēng)速、額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)和最佳槳距角的狀態(tài)相比，當(dāng)槳距角增大和風(fēng)速減小時，來流攻角減小，來流沿葉片表面流過，對尾流影響變小；當(dāng)槳距角減小和風(fēng)速增大時，來流攻角增大，來流將脫離葉片表面，嚴(yán)重時將在葉片附近出現(xiàn)很明顯的漩渦流動，引起失速，因此，風(fēng)場尾流的等速線分布較密且變得更加復(fù)雜。

(2)計算結(jié)果表明，槳距角的微小變化對扭矩、功率及風(fēng)能利用系數(shù)有顯著的影響。隨著槳距角的增加，三者先增大后減小，在槳距角為4.5°時，三者達(dá)到了最大；入口風(fēng)速增大時，風(fēng)機(jī)功率一直增大，而風(fēng)能利用系數(shù)先增大，在風(fēng)速為13 m/s時達(dá)到最大，隨后減小。

(3)當(dāng)風(fēng)場入口風(fēng)速為13 m/s，風(fēng)輪以額定轉(zhuǎn)速14.4 r/min轉(zhuǎn)動，槳距角為4.5°時，設(shè)計的風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳風(fēng)能捕獲狀態(tài)，這說明設(shè)計和數(shù)值計算的結(jié)果是吻合的，與實際風(fēng)場情況是相符的，因此，設(shè)計和數(shù)值計算結(jié)果均是可信的。

[1]Sung C H, Yang C.Validation of turbulent horseshoe vortex flows[C]//17th Symposium on Naval Hydrodynamics.Hague: Maritime Technical Information Facility, 1988: 103-118.

[2]Parneix S, Durbin P A, Behnia M.Computation of 3d turbulent boundary layers using the v2-f model[J].Flow Turbul Combust，1998, 60(1)：19-46.

[3]Deng G, Visonneau M.Computation of a wing-body junction flow with a new Reynolds-stress transport model[M].Washington DC: National Academies Press, 1999: 691-707.

[4]劉沛清,鄧學(xué)鎣.繞翼型分離流結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究[J].航空學(xué)報, 1997, 18(4): 385-389.Liu Peiqing, Deng Xueying.Numerical study of separated flows over an isolated airfoil[J].Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 1997, 18(4): 385-389.

[5]Gadelhak M.The Pitch Delta Wing[J].AIAA Journal, 1985, 23(11): 1160-1165.

[6]褚洪杰, 馬暉揚(yáng).應(yīng)用于翼型繞流的線性/非線性湍流模式的研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報, 2005, 23(2):237-242.Chu Hongjie，Ma Huiyang.Linear and nonlinear turbulence models for simulation of the flows around airfoil[J].Acta Aerodynamica Sinica，2005, 23(2):237-242.

[7]Menter F R.Multiscale model for turbulent flows[C] //24th Fluid Dynamics Conference.Orlando: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1993: 1311-1320.

[8]AIAA 2000-2306.Trends in turbulence treatments[S].Denver: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000.

[9]Johansen J, Sorensen N N, Michelsen J A, et al.Detached-eddy simulation of flow around the NREL phase VI blade[J].Wind Energy, 2002, 5(2-3):185-197.

[10]曾利華,王豐,劉德有.風(fēng)電場風(fēng)機(jī)尾流及其迭加模型的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2011, 31(19):37-42.Zeng Lihua ,Wang Feng ,Liu Deyou .Study WTG wake model and WTG overlay model in wind farm[J].Proceedings of the CSEE, 2011,31(19):37-42.

(編輯：蔣毅恒)

Wake Numerical Simulation of Wind Farm Based on MRF

ZENG Lihua，ZHANG Guo

(Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

In order to study the wake flow of 3D rotating rotor, this paper numerically simulated the wake of a given fan by using moving reference frame (MRF).The velocity and pressure distribution of wake flow field under different inlet wind velocity and pitch angles were studied for wind turbine generator.It is found that the influences of wind field velocity, pressure distribution, wake, inlet wind velocity and pitch angles changes on the whole flow field are consistent with the actual situation.This method can forecast the running performance and wake turbulence of wind turbine, and achieve the simulation of the aerodynamic flow field of wind turbine.Using numerical simulation method to replace part of model machine experiments can shorten the experiment time, save the experiment cost, shorten the development cycle, and can provide reliable suggestions for the operation of units.

wind farm; wind turbine generator; wake; numerical simulation; model machine

TM 315

A

1000-7229(2015)08-0135-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.08.022

2015-04-20

2015-05-27

曾利華(1984)，女，碩士，中級工程師，主要從事風(fēng)電場設(shè)計工作；

張國(1981)，男，碩士，中級工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計工作。