海上濕氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響研究

薛 宇，劉 燕

(1.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青島華創(chuàng)風能有限公司，山東 青島 266000;3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院,北京 昌平 102206)

海上濕氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響研究

薛 宇1,2，劉 燕3

(1.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青島華創(chuàng)風能有限公司，山東 青島 266000;3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院,北京 昌平 102206)

潮濕的空氣連同大霧、下雨天氣以及冬天結冰都會引起風力機性能降低。為了研究高濕度對風力機性能的影響，首先利用數(shù)據(jù)分析了濕空氣的密度和黏性屬性，評估對發(fā)電量的影響。其次，采用數(shù)值模擬的方法研究了水蒸氣凝結和水汽分壓力對翼型和葉片的氣動性能影響。研究發(fā)現(xiàn)：高濕度空氣下，濕氣流動及翼型表面水膜的形成對翼型氣動性能影響很小，可以忽略不計，然而水汽凝結對葉片結冰及污染有間接效應；空氣中有大量液滴的霧天或雨天，阻力增大導致葉片氣動性能退化。高溫高濕度天氣時，密度變化對年發(fā)電量的計算不能忽略，葉片結冰和污染物黏結的情況也是需要進一步的研究內容。

海上風電；濕氣；凝結；歐拉模型；氣動性能

0 引言

海上風電具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、單機容量大、不占用土地、不消耗水資源以及適宜大規(guī)模開發(fā)等特點。作為可再生能源發(fā)展的重要領域之一，海上風電將成為推動風電技術進步、促進能源結構調整的重要發(fā)展方向[1]。由于受制于成本、技術等原因，過去數(shù)年我國海上風電發(fā)展速度遠低于預期。與陸地風電相比，海上及潮間帶風電機組所處的環(huán)境與陸地條件截然不同，海上風電技術遠比陸地風電復雜，在設計和建設海上風場過程中，不得不考慮海上惡劣自然條件和環(huán)境條件帶給我們的影響。如鹽霧腐蝕、海浪載荷、臺風破壞等制約因素。海上風電機組往往在高濕度鹽霧環(huán)境下運行，但是風機功率曲線IEC測量標準針對的是陸上風力機，濕度很低，同時風切變數(shù)據(jù)可能不同于陸上，因此海上風電開發(fā)時需要了解評估這些因素對風電機組安全及效益的影響。

海上空氣中含有大量水蒸氣，旋轉葉片表面可能發(fā)生凝結，潮濕的葉片表面容易沾污，寒冷低溫環(huán)境下容易結冰，都會造成葉片性能下降[2-3]。在清晨，大霧天氣(或雨天)，空氣中混合著大量μm級的水滴，水滴遇到旋轉的葉片，撞擊葉片表面，可能造成葉片阻力升高，繼而降低風力機的性能。此外，潮濕空氣加劇了葉片表面的腐蝕。

本文以海上風電高濕度環(huán)境為背景，考慮濕空氣的物理特性及凝結過程，重點從空氣密度變化、翼型、葉片氣動性能方面分析濕氣對氣動的影響，采用CFD方法研究水汽在葉片表面凝結及匯集形成水膜后對翼型及葉片氣動性能的影響。需要說明的是海上風切和腐蝕不在本文討論范圍之內。

1 濕空氣密度變化影響

空氣流動所形成的動能稱為風能。風能是太陽能的一種轉化形式。太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，空氣沿水平方向運動形成風。風輪將風動能轉換成機械能，連接發(fā)電機，將機械能轉換成電能。最典型的風力機是水平軸2葉輪或3葉輪風力機，3葉輪運行在上風向，正對來流風速。風力機產生的功率P可用式(1)計算：

(1)

式中：ρ為空氣密度；A為掃風面積；V為風速；Cp為風能利用系數(shù)。風功率與空氣密度和風力機的氣動系數(shù)成正比。表1為不同濕度空氣密度變化范圍，可以看出濕度對空氣密度的影響范圍從0.57%到1.92%，即對功率的影響相同。相對濕度為水蒸氣的分壓力與相同溫度下飽和蒸汽壓力的比值。

以我國華南地區(qū)的海上風電場為例，風電場平均溫度為20 ℃，平均相對濕度約為80%，密度變化對功率的影響約為0.41%，假設風電場容量為200 MW，由于濕度造成的損失約4 500 000kW·h/a，由此可見，濕度變化引起的功率損失不可忽略。

表1 空氣密度隨相對濕度變化Table1 Variation of air density with air relative humidity

注： 空氣密度計算假設各濕度條件大氣壓力相同。

2 數(shù)值模型

對于翼型計算研究，首先采用組分輸運模型研究2維翼型，然后采用歐拉壁面膜模型計算三維NACA63418翼型(見圖1)。二維組分輸運模型，利用用戶自定義函數(shù)模擬翼型表面膜凝結。三維歐拉壁面膜模型可以求解水滴和空氣在翼型表面的流動。

圖1 翼型遠場及局部網(wǎng)格Fig.1 Far-field mesh and local grid of airfoil

2.1 組分輸運模型

濕空氣為干空氣和水蒸氣的混合氣體，組分輸運模型將混合氣體定義為一種二元混合氣體，具有兩者的物理屬性，求解過程作為單相處理。濕空氣密度按照不可壓縮理想氣體方程計算。

濕空氣的控制方程如下所述。

質量方程：

(2)

式中：ρm為混合物密度，kg/m3；U為流速。

動量方程：

(3)

式中：p為混合壓力，pa；τ為切應力張量；B為體受力向量。

能量方程：

(4)

組分質量：

(5)

(6)

式中：Sct為湍流施密特數(shù)；μt為湍流黏度，kg/(m·s)；Di,m為質量擴散系數(shù)。

2.2 膜凝結模型

圖2 壁面凝結原理Fig.2 Schematic of the condensation model

模型采用BELL[2]蒸汽壁面冷凝模型。水蒸氣擴散通過傳質邊界層，遇冷壁面釋放潛熱形成液膜，液體膜達到壁溫，蒸汽擴散和凝結在氣液截面持續(xù)發(fā)生，這一過程如圖2所示[3]。冷凝率取決于蒸汽的擴散速率，反過來又取決于邊界層的水蒸汽濃度差。在邊界層的一端是大量混合流體，濃度取決于混合物的參數(shù)，邊界層的另一端是凝結液體水膜和氣體混合物界面。本研究假定在液體膜-水蒸汽混合物界面存在局部平衡，這意味著在界面處的水蒸汽濃度等于在膜溫度下的飽和值。因此，膜界面溫度決定了整個邊界層的濃度差，并反過來控制冷凝率。

假設[4]如下所述。

(1) 由于水蒸汽通過組分邊界層擴散導致冷凝。這個假設用于導出冷凝水體積數(shù)學表達式。

(2) 液膜和壁面存在熱平衡，液膜溫度Tfilm等于壁面溫度Twall。

(3) 氣液界面是飽和狀態(tài)。即交界面水蒸氣分壓力等于壁面溫度下的飽和蒸汽壓力。結合假設(2)，壁面溫度決定氣液界面的蒸汽濃度，控制總的蒸汽擴散和通過邊界層的濃度比。

(4) 不考慮液膜運動帶來的影響。由于流體剪切力和重力，液膜可能運動，但是運動不影響空氣流動和凝結。

(5) 分析僅限于膜狀凝結，不考慮滴狀冷凝。

(6) 液膜的熱阻忽略不計。

由于模型是基于以上假設建立的，凝結速率取決于水蒸氣朝壁面的擴散速率?？諝夂退魵飧鹘M分的質量流量方程為：

用戶自定義函數(shù)中，假定壁面溫度等于或小于表面水蒸氣分壓力對應的飽和溫度時發(fā)生凝結。表2為凝結模型計算時的濕空氣對應參數(shù)。如果溫度高于飽和溫度，水蒸氣質量分數(shù)等于壁面鄰近單元值。為了滿足氣液交界面局部熱力學平衡的假設，當溫度低于或等于飽和溫度時，代表氣液交界面的水蒸氣質量分數(shù)被分配一個值，使得水蒸汽的分壓等于水在局部壁面溫度下的飽和壓力。

混合物的體積質量源項為

(9)

式中：Acell wall為壁面單元面積；Vcell為計算單體體積。

水蒸氣的體積質量源項為

(10)

表2 濕空氣物理屬性Table 2 Material properties for water vapor condensation UDF

2.3 歐拉壁面模型

歐拉壁面膜模型[5]，實體表面膜不需劃分網(wǎng)格，以表面虛擬膜代替，不影響核心流動動量場，多數(shù)情況下，表面薄膜的分離、脫落、蒸發(fā)不影響核心流動場的流動。通常情況下，模擬此種類型薄膜需要極大的計算資源，尤其在多相工況下精確計算相間通量，需要極細的網(wǎng)格來模擬水膜，而歐拉壁面膜模型不需要劃分水膜網(wǎng)格，同時可以預測收集效率、耦合離散相模型，滿足模擬壁面收集液滴形成水膜過程的需求。文中將水分考慮為小液滴，液滴在表面匯集成水膜，計算不考慮相變。

質量守恒方程：

(11)

膜動量守恒方程：

(12)

式中：h為膜高度；ρl液體密度；s為表面梯度算子；平均膜速度；為每單位壁面積質量源;g為重力加速度。

膜能量守恒方程：

(13)

當離散粒子或液滴撞擊壁面，會被液膜吸收，吸收后，其質量和動量增加到質量方程和動量方程的源項中，質量源項和動量源項分別為

(14)

(15)

質量源項：

(16)

表3為歐拉壁面膜型計算的對應工況下的含水量。

表3 不同濕度不同溫度空氣含水量Table 3 Water content in different humidity and temperature g/m3

3 濕度對翼型氣動性能影響分析

對于目前流動數(shù)值計算，基于壓力求解器，流動考慮為不可壓縮流動，求解穩(wěn)態(tài)、隱式NS方程。對于翼型、葉片湍流流動問題，采用切應力輸運(SST)k-ω模型。壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，對流項采用三階MUSCL空間離散。

表4為不同模型計算的6°攻角翼型的升阻力系數(shù)。分別對比2個模型25%濕度和90%濕度的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比，發(fā)現(xiàn)組分輸運模型和凝結模型，25%相對濕度的升阻比高于90%濕度，升力系數(shù)和阻力系數(shù)不盡相同，但是2種濕度下的差值非常小(小于1%)，考慮數(shù)值計算誤差，可以認為組分輸運模型和凝結模型下，濕氣對升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響不大。

與重雨條件下翼型或葉片的行為相似[6-12]。因為阻力系數(shù)明顯高于其他模型，可能存在一些不確定因素，因此，主要通過歐拉模型研究翼型、葉片表面的凝結水分布。葉片表面凝結水分布或液滴撞擊形成水膜引起其他氣動性能衰減的行為，如圖3—4所示的潮濕條件下葉片表面黏結[11-12]和寒冷條件下結冰[13-14]。

當采用凝結模型計算時，發(fā)現(xiàn)當流體溫度與翼型表面溫度差越大，翼型表面凝結出的水質量流率越大，且濕度越大，情況越明顯。通過圖5不同溫差下翼型周圍凝結質量流率的曲線圖及圖6翼型表面凝結質量流率云圖可以發(fā)現(xiàn)，凝結質量流率較大的區(qū)域在前緣及尾緣區(qū)域，主要是翼型下表面前緣和上表面后緣，因此在實際風力機運行中，該區(qū)域由于表面水的存在，更容易引起表面污染物(昆蟲、顆粒等)黏附。圖6顯示不同濕度翼型表面的壓力系數(shù)曲線，壓力系數(shù)曲線形狀與凝結流率曲線形狀近似，且隨濕度變化，壓力系數(shù)基本不變。

表4 各種模型下的翼型氣動性能Table 4 Airfoil performance with various condensation models

注：Re=3×106；攻角為6°。

圖4 葉片表面結冰Fig.4 Ice on turbine blade

圖5 翼型表面凝結質量流量和壓力系數(shù)曲線(VF model)Fig.5 Condensation mass flux and pressure coefficient around airfoil using VF model

圖6 翼型表面凝結質量云圖(VF model)Fig.6 Contours plots of condensation mass flux on Airfoil with 3D VF model

圖7為歐拉模型計算的不同位置及各種工況的近似分離點空氣速度向量圖(攻角為10°)。對比截面不同風速、溫度、濕度下的速度向量，發(fā)現(xiàn)相同溫度、相同風速時，90%濕度較50%濕度提早發(fā)生分離，即濕度越大，分離位置越靠近前緣；相同溫度、相同濕度時，低風速分離趨勢越明顯；相同風速、相同濕度條件下，空氣溫度越高，分離位置越靠前，說明溫度越高，含水量越多，容易導致分離。圖8顯示翼型周圍流動特征和翼型表面濕氣的凝結區(qū)域(攻角為10°)。結合翼型表面凝結云圖發(fā)現(xiàn)，水分凝結主要在前緣地區(qū)，負壓側水含量高于壓力測。

表5為歐拉壁面膜模型計算的2種攻角下不同濕度工況下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、總的膜厚度、膜質量及整體的體積分數(shù)。

圖7 邊界層速度向量(EWF Model)Fig.7 Vectors of air velocity(EWF Model)

圖8 翼型周圍流場及表面膜厚度(EWF Model)Fig.8 Contours plots of water film thickness around airfoil (EWF Model)

通過對翼型表面濕空氣流動分析發(fā)現(xiàn)，濕氣整體上對翼型的氣動性能影響非常小，濕氣對翼型的影響主要是水分在翼型表面凝結或匯聚，容易引起污染物的黏附。通過分析翼型表面水汽凝結及表面水膜匯集分布，為翼型或葉片有針對性的防護提供借鑒。

4 結論

以海上高濕度環(huán)境為背景，采用組分輸運、凝結模型、歐拉壁面膜模型數(shù)值模擬了不同濕度下的翼型及葉片氣動性能。研究發(fā)現(xiàn)，高濕度對高溫條件下的密度有相當大的影響，對翼型/葉片的氣動性能影響不大，水汽會在翼型或葉片的前緣和尾緣位置凝結，凝結造成葉片表面潮濕，導致在臟的環(huán)境中非常容易沾污，在寒冷低溫天氣下容易結冰。

表5 翼型歐拉壁面模型計算數(shù)值Table 5 Calculation results of EWF model on 1 200 steps

高濕度空氣中的水滴在翼型表面匯集，形成水膜，影響邊界層流動。海上風力機或岸邊風力機，周圍空氣中濕度大，水滴顆粒或鹽粒在葉片表面聚集，影響功率輸出。

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薛宇

(編輯 蔣毅恒)

Influence of High Humidity on the Aerodynamic Performance of Offshore Wind Turbine Airfoil/Blade

XUE Yu1,2, LIU Yan3

(1. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute, Changping District, Beijing 102206, China;2. China Creative Wind Energy Company, Qingdao 266000, Shandong Province, China;3. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

Damp air, combined with foggy and rainy weather as well as icing, often leads to the degradation of turbine performance. Weather data analysis was performed to study the air density and viscosity of damp air, evaluating the effects of high humidity on the aerodynamic performance and generating electricity; CFD modeling was introduced to determine the influence of water vapor partial pressure of mixing flow, water condensation around leading edge and trailing edge of airfoil on the aerodynamic performance of airfoil and blade. The results show that the thin film around airfoil affects airfoil/blade performance so insignificantly to be neglected, while the water and vapor condensation has indirect effect on the blade contamination and icing; the foggy and rainy weather with micro water droplets will increase the air drag and deteriorate the turbine performance. In the case of high-temperature and high-humidity weather, the effect of air density should be considered for calculating the power generation. The blade contamination and icing are required for further investigation.

offshore wind turbine; damp air; condensation; Eulerian wall film model; aerodynamic performance

TK83

A

2096-2185(2016)02-0021-07

國家自然科學基金項目(11202128)

2016-08-12

薛宇(1962)，男，博士，風能國家千人計劃專家，主要研究方向為海上風力發(fā)電，xueyu@cdt-kxjs.com；

劉燕(1986)，男，博士研究生，主要研究方向為風場氣動優(yōu)化分析。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(11202128)