張宏洋,盛會(huì)霞,張 玲
(1.國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 采購(gòu)與物資管理部,北京100039;2.鄭州燃?xì)獍l(fā)電有限公司,鄭州 450010;3.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)
?
風(fēng)剪切對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響的研究
張宏洋1,盛會(huì)霞2,張玲3
(1.國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司 采購(gòu)與物資管理部,北京100039;2.鄭州燃?xì)獍l(fā)電有限公司,鄭州 450010;3.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)
摘要:采用SSTk-ω模型,分別對(duì)均勻風(fēng)和剪切風(fēng)下1.2 MW水平軸風(fēng)力機(jī)在11.26m/s來(lái)流風(fēng)速下的繞流流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析均勻來(lái)流和動(dòng)態(tài)風(fēng)剪切來(lái)流對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響以及風(fēng)剪切對(duì)風(fēng)力機(jī)三維流場(chǎng)的氣動(dòng)性能影響。研究結(jié)果表明:均勻風(fēng)下,風(fēng)力機(jī)功率計(jì)算值與設(shè)計(jì)值吻合較好;風(fēng)力機(jī)受到風(fēng)剪切的影響時(shí),能導(dǎo)致葉片表面的載荷和性能發(fā)生變化。
關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī);風(fēng)輪;風(fēng)剪切;氣動(dòng)性能;數(shù)值模擬
近年來(lái),隨著風(fēng)能理論以及風(fēng)電技術(shù)的日益成熟,各個(gè)國(guó)家開(kāi)始引入大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行發(fā)電[1]。但風(fēng)力機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)面臨的環(huán)境非常復(fù)雜,風(fēng)的湍流特性、偏航入流、塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切、地球引力以及尾流等都會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能產(chǎn)生影響[2-3]。自從Lanchester和Betz計(jì)算出風(fēng)力機(jī)可利用風(fēng)能的最大利用率為59%,又經(jīng)過(guò)多年對(duì)風(fēng)力機(jī)不斷的研究[4-5],一直到1935年才有實(shí)質(zhì)性突破,進(jìn)而由Glauert建立了葉素動(dòng)量理論(Blade Element Momentum Theory,BEM)[6],成為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)程序遵循的理論基礎(chǔ)。到目前為止,人們對(duì)于風(fēng)力機(jī)最基本的氣動(dòng)性能還沒(méi)有研究透徹,急需對(duì)理論進(jìn)行進(jìn)一步探索和完善[7-9]。
對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),整機(jī)實(shí)驗(yàn)非常有難度[10]。國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者想到了運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題,于是CFD[11]成為了最主要的研究方法。張涵信和賀立新[12]采用了有限體積法,在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元上進(jìn)行離散,同時(shí)利用同位非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行了壓力的加權(quán)修正,模擬采用了Navier-Stokes方程及k-ε方程,給出了在不同攻角條件下,孤立翼型的分離流結(jié)構(gòu)以及表面的壓力分布情況。田琳琳[13]將風(fēng)輪簡(jiǎn)化為致動(dòng)盤(pán),采用CFD方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的9臺(tái)呈梅花型布置的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到尾流流場(chǎng)的速度分布及下游尾流區(qū)的湍流強(qiáng)度分布,對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)的微觀選址和風(fēng)力機(jī)布置方式提供了理論依據(jù)。李曉冰[14]將Jensen簡(jiǎn)單地形尾流模型和復(fù)雜地形的尾流模型相結(jié)合,采用微粒群優(yōu)化算法計(jì)算每個(gè)風(fēng)力機(jī)的來(lái)流風(fēng)速來(lái)反映各個(gè)風(fēng)力機(jī)組間的相互繞流及影響,最終對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行優(yōu)化排布。陳嚴(yán)[15]根據(jù)勢(shì)流理論建立了動(dòng)態(tài)尾流氣動(dòng)模型,在傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的尾流模型上做了改進(jìn),更能真實(shí)地反映尾流流場(chǎng)的低速區(qū)和尾流誘導(dǎo)速度場(chǎng),便于對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性進(jìn)行分析。
在對(duì)風(fēng)力機(jī)的模擬研究中,風(fēng)剪切的研究比較少。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力機(jī),運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜,具有很強(qiáng)的時(shí)變性。由于地面邊界層的作用風(fēng)速沿高度增大,并且還會(huì)受到上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響,在鉛錘方向上,平均風(fēng)速隨高度的增加而增加,一般在離地面300 m-500 m后風(fēng)速才會(huì)趨于常數(shù)。在風(fēng)力機(jī)葉片外形的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,目前均不考慮風(fēng)剪切的影響,已有的各種設(shè)計(jì)方法[16]都是采用風(fēng)輪中心處的風(fēng)速作為單一的設(shè)計(jì)風(fēng)速。這種做法對(duì)于小功率的風(fēng)力機(jī)而言是可行的,因?yàn)槠渲睆捷^小,風(fēng)速在直徑尺寸內(nèi)變化不大,而對(duì)于大功率的風(fēng)力機(jī),就有必要考慮風(fēng)速在垂直方向上的變化問(wèn)題,即風(fēng)剪切問(wèn)題[17]。圖1示意了輪轂風(fēng)速為11.26 m/s時(shí),計(jì)算域進(jìn)口邊界上的切變風(fēng)速分布。
圖1 風(fēng)速隨高度變化的曲線圖2 風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)區(qū)域
風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件,為了更好的利用風(fēng)能,風(fēng)輪直徑不斷增加,風(fēng)輪的垂直高度、風(fēng)力機(jī)所處的地理位置及地形地貌和風(fēng)輪與塔架的相互作用等因素造成了氣流的不均勻性[18]。因此,考慮風(fēng)剪切影響的風(fēng)力機(jī)整機(jī)數(shù)值模擬對(duì)了解和改進(jìn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能具有實(shí)際意義。
本文運(yùn)用CFD的方法構(gòu)建風(fēng)力機(jī)三維數(shù)值流場(chǎng),最大程度的接近風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,模擬風(fēng)力機(jī)在風(fēng)剪切條件下的三維流動(dòng)情況。
1模型的建立
1.1幾何模型
采用Solidworks和Gambit軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行三維建模及網(wǎng)格劃分,風(fēng)力機(jī)額定功率為1.2 MW,其葉輪直徑D=70 m,計(jì)算區(qū)域主要由半徑為5 D、長(zhǎng)為13 D的半圓柱體構(gòu)成。風(fēng)力機(jī)塔架高為80 m,距流場(chǎng)進(jìn)口邊界為3 D,流場(chǎng)區(qū)域具體尺寸如圖2所示。風(fēng)力機(jī)的進(jìn)口風(fēng)速為11.26 m/s,風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速為18.44 rpm。
1.2數(shù)學(xué)模型的建立
在本文中,由于來(lái)流風(fēng)速和葉輪的旋轉(zhuǎn)速度較低,視空氣為不可壓縮流體。本文基于不可壓縮流動(dòng)三維定常雷諾時(shí)均N-S方程(RANS)進(jìn)行了數(shù)值模擬,采用Segregatd隱式求解器,紊流模型使用SSTk-ω模型,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。
控制方程通用形式:
(1)
式中:φ為通用變量;u為速度;ρ為流質(zhì)密度;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項(xiàng)。
1.3風(fēng)剪切模型
地面上空氣的流動(dòng)會(huì)被地球表面的摩擦阻力(邊界層效應(yīng))所阻礙,風(fēng)速隨高度增加的比率取決于地面的粗糙度[19]。風(fēng)力機(jī)由于受到風(fēng)剪切的影響,風(fēng)速值在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上是處處不同的。隨著風(fēng)力機(jī)容量增大,其塔架越來(lái)越高,葉片半徑越來(lái)越大,這種情況下風(fēng)剪切對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響也愈發(fā)顯著[20]。風(fēng)速隨高度變化服從普朗特經(jīng)驗(yàn)公式,風(fēng)剪切采用的對(duì)數(shù)模型為
(2)
式中:V(ZR)以及V(Z)分別為高度ZR與高度Z處的風(fēng)速;Z0為風(fēng)剪切系數(shù),其值與地面粗糙度有關(guān),它也反映風(fēng)速隨高度變化的快慢程度,通常數(shù)值在0.1-0.5之間,本文選擇0.2。
2網(wǎng)格劃分及邊界條件處理
2.1網(wǎng)格劃分
整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域分為靜止區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域,風(fēng)力機(jī)葉輪為轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域,其它為靜止區(qū)域,為了平衡葉片扭曲性對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的影響,葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用Size function函數(shù)法劃分網(wǎng)格,同時(shí)對(duì)葉片表面及其周?chē)M(jìn)行網(wǎng)格加密處理,如圖3所示。其它區(qū)域采用混合型網(wǎng)格進(jìn)行劃分,總的網(wǎng)格數(shù)約為110萬(wàn),如圖4所示。
圖3 葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分圖4 流場(chǎng)劃分
2.2邊界條件設(shè)定
入口邊界為速度進(jìn)口:均勻風(fēng)速時(shí),來(lái)流風(fēng)速為u=u∞=11.2 6m/s;剪切風(fēng)速來(lái)流是利用FLUENT提供的UDF(user-defined functions)編程與FLUENT作接口實(shí)現(xiàn)三維數(shù)值模擬;出口邊界為自由出流。
葉片和輪轂:選wall為邊界,以y軸為旋轉(zhuǎn)軸,采用無(wú)滑移壁面邊界條件,轉(zhuǎn)速N=18.44 r/min;
機(jī)艙和塔架:選wall為邊界,壁面無(wú)滑移;
其余面:旋轉(zhuǎn)小區(qū)域的外表面及其余內(nèi)表面設(shè)置interior。
3數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果及分析
3.1風(fēng)力機(jī)的輸出功率
根據(jù)Fluent模擬計(jì)算得到葉片及輪轂對(duì)y坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩,再依據(jù)公式(3)求出輸出功率:
P=T×N×2π×z/60 ,
(3)
式中:P為輸出功率,W;T為轉(zhuǎn)矩,N·m;N為葉輪的轉(zhuǎn)速,rpm;Z為葉片數(shù)。
根據(jù)公式(4)將得到的輸出功率與額定功率比較,得到相對(duì)誤差,并根據(jù)相對(duì)誤差的大小分析風(fēng)剪切對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的影響。
(4)
式中:r為相對(duì)誤差;P0為設(shè)計(jì)功率(1.2MW);P為輸出功率。
表1 整機(jī)葉片及輪轂對(duì)各個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩
從表1可知:在均勻風(fēng)下,3個(gè)葉片和輪轂對(duì)Y軸的總轉(zhuǎn)矩為607 580 N·m,經(jīng)計(jì)算得到整機(jī)的輸出功率為1172 661.8W,相對(duì)誤差為2.28%。這是由于葉片與塔架間的相互干擾以及塔架對(duì)流場(chǎng)的影響,導(dǎo)致整機(jī)的輸出功率減少。
在剪切風(fēng)下3個(gè)葉片和輪轂對(duì)Y軸的總轉(zhuǎn)矩為572 199.5 N·m,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到整機(jī)的輸出功率為1 104 375.552 W,相對(duì)誤差為7.97%。由表1得出的功率跟設(shè)計(jì)功率1.2 MV進(jìn)行對(duì)比??梢?jiàn),均勻來(lái)流的情況下風(fēng)力機(jī)的輸出功率最接近設(shè)計(jì)功率,剪切風(fēng)條件下計(jì)算結(jié)果明顯小于設(shè)計(jì)值。這是由于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑較大,垂直高度風(fēng)速給風(fēng)輪帶來(lái)的不均勻性將會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)較大的誤差;并且由于旋轉(zhuǎn)上游葉片發(fā)生渦脫落,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)下游葉片周?chē)鲌?chǎng)環(huán)境發(fā)生改變,也造成其輸出功率的減小。因此,在進(jìn)行大功率風(fēng)力機(jī)數(shù)值計(jì)算時(shí),應(yīng)考慮風(fēng)的剪切效應(yīng)。
3.2剪切風(fēng)條件下來(lái)流對(duì)三維水平軸風(fēng)力機(jī)尾流的影響
經(jīng)過(guò)Fluent數(shù)值模擬,輸出計(jì)算結(jié)果,利用后處理軟件Tecplot對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理,如圖5所示。
圖5 風(fēng)力機(jī)尾流速度云圖
由圖5中可以看出,由于地面粗糙度的影響,風(fēng)力機(jī)整體計(jì)算區(qū)域的風(fēng)速出現(xiàn)層間差別。剪切風(fēng)與剪切風(fēng)經(jīng)過(guò)風(fēng)輪后的低速尾流,在距風(fēng)輪一定距離處混合。同時(shí),在上層高風(fēng)速區(qū)的影響下,混合低速區(qū)逐漸變薄,最終風(fēng)速分布趨于穩(wěn)定。隨著高度的增加,風(fēng)速梯度越來(lái)越小,風(fēng)速切面也更趨于均勻,風(fēng)剪切的作用也越小,可見(jiàn)適當(dāng)增加塔架高度,可減少風(fēng)剪切的影響。
3.3剪切風(fēng)來(lái)流對(duì)三維水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響
風(fēng)輪在動(dòng)態(tài)來(lái)流的條件下,由于風(fēng)剪切的影響,葉片在每個(gè)不同方位角處所承受的氣動(dòng)力會(huì)不同。圖6為沿葉片徑向3個(gè)不同截面處軸向力隨方位角的變化情況,從圖中可以看出整個(gè)葉片的軸向力隨著方位角從0°到180°的變化逐漸變小,且靠近葉尖處截面的軸向力變化梯度較大,隨著方位角從180°到360°的逐漸增大,葉片軸向力逐漸增大,其中在方位角為180°處,整個(gè)葉片的軸向力為最小值。
圖6 風(fēng)剪切來(lái)流下軸向力在不同截面處隨方位角的變化圖7 風(fēng)剪切來(lái)流下攻角在不同方位角時(shí)隨截面的變化
圖7為在4個(gè)不同方位角的情況下,沿葉片徑向不同截面位置的攻角變化。葉片在四個(gè)不同方位角下,徑向截面攻角的變化趨勢(shì)相同,沿葉根到葉尖方向,攻角呈現(xiàn)先平緩增大后減小的趨勢(shì),在葉片40%處達(dá)到最大。葉尖處攻角最小,這可能由葉尖損失所引起。方位角為270°時(shí),整個(gè)葉片的攻角比其它三個(gè)方位角處葉片攻角大。
4結(jié)論
本文對(duì)1.2 MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過(guò)Fluent提供的用戶自定義函數(shù)(user-definde function,UDF)定義了數(shù)值模擬的初始條件和邊界條件,完成了風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算,得出以下結(jié)論:
(1)通過(guò)均勻風(fēng)下的輸出功率和剪切風(fēng)下的輸出功率與風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)功率1.2 MW進(jìn)行對(duì)比,可以看出,由于風(fēng)剪切的存在,使風(fēng)力機(jī)獲得的轉(zhuǎn)矩減少,風(fēng)力機(jī)的功率變小,與設(shè)計(jì)值相比,誤差比均勻風(fēng)下的輸出功率更大,說(shuō)明風(fēng)力機(jī)在氣動(dòng)性設(shè)計(jì)時(shí)要考慮風(fēng)剪切的影響;
(2)在剪切風(fēng)下風(fēng)輪葉片在不同方位角處的軸向力有所不同,且在同一方位角處不同徑向截面處的軸向力也不相同,越靠近葉尖處軸向力隨方位角的改變而變化越大;
(3)剪切風(fēng)下葉片徑向不同截面位置處的攻角不同,沿葉根到葉尖方向,攻角呈現(xiàn)先平緩增大后減小的趨勢(shì),在葉片40%處達(dá)到最大。
參考文獻(xiàn)
[1]蓋曉玲,田德,王海寬,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展概況與趨勢(shì)[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化,2006,69(4):53-56.
[2]Rasmussen,R.Peterson,J.T,Madsen,H.A.Dynamic Stall and Aerodynamic Damping.ASME Journal of Solar Energy Engineering[J].1999,121(3):150-155.
[3]Kelley,N.D.An Initial Look at the Dynamics of the Microscale Flow Field withina Large Wind Farm in Response to Variations in the Natural Flow.SERI[R].IP-257-3591,presented at windpower,89,1989.
[4]Sorensen N.N,Hansen,M.O.L.Rotor Performance Predictions Using a NaVier-Stocks Method.[C]//36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibition.American Institute of Aeronatics & Astronautic,1998.
[5]National Renewable Energy Laboratory.Wind Energy Information[M].USA:U.S.Department of Energy,1998.
[6]Modelling and measuring flow and wind turbine wakes in large wind farms offshore[J].Wind Energy,2009,12(5):431-444.
[7]Beyer H G,Pahlke T,Schmidt W,et al.Wake effects in a linear wind farm[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1994,51(3):303-318.
[8]Sanderse B.Aerodynamics of wind turbine wakes[J].Energy Research Center of the Netherlands (ECN),ECN-E-09-016,Petten,The Netherlands,Tech,Rep,2009,5(15):153.
[9]王健,嚴(yán)干貴,宋薇,等.風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)綜述[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(3):20-24
[10] 楊瑞,李仁年,張士昂,等.水平軸風(fēng)力機(jī)CFD計(jì)算湍流模型研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(4):90-93
[11] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.78-85
[12] 張涵信,賀立新,張來(lái)平.流體力學(xué)有限元和有限體積算法的聯(lián)系[C].//計(jì)算流體力學(xué)研究進(jìn)展.西安:第十二屆全國(guó)計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議,2004.
[13] 田琳琳,趙寧,鐘偉.風(fēng)力機(jī)尾流相互干擾的數(shù)值模擬[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2012,33(8):1315-1320.
[14] 李曉冰.風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].北京:華北電力大學(xué),2012.
[15] 陳嚴(yán),劉雄,劉吉輝,等.動(dòng)態(tài)尾流模型在水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算中的應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(10):1297-1302.
[16] 張玉良,楊從新,李仁年,等.風(fēng)剪切對(duì)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的無(wú)關(guān)性分[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26 (2):61-63
[17] 杜朝輝.水平軸風(fēng)力機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵氣動(dòng)問(wèn)題探討[J].上海汽輪機(jī),2002,30(1):30-34.
[18] 張玉良.水平軸大功率高速風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2006.
[19] 吳殿文.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片預(yù)彎設(shè)計(jì)及其數(shù)值研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2010,30(6) :450-455.
[20] 胡丹梅.水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡氣動(dòng)特性研究[D].上海:上海交通大學(xué),2006.
The Studies of the Influence of Wind Shear on Wind Turbine Aerodynamic
ZHANG Hong-yang1,SHENG Hui-xia2,ZHANG Ling3
(1.Department of Purchasing and Matericals Management,GD Technology & Environment Group Corporation Limited,Beijing 100039;2.Zhengzhou Gas Power Generation Co.,LTD,Zhengzhou 450010;3.Energy Resoure and Power Engineering College,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)
Abstract:SSTk-ω is applied for an three-dimensional numerical simulation of flow field around a 1.2MW horizontal axis wind turbine with 11.26m/s flow velocity that in uniform wind and wind shear environment respectively.According to simulation results,the paper analyzes the influence of uniform incoming wind and dynamic wind shear on output power of wind turbine,and the infwence of wind shear on its aerodynamic performance of three dimensional flowflied of wind turbine.It is found that the calculated value of wind turbine power is mostly consistent with the design one in uniform wind environment;The wind shear changes the load and performance of blade surfare while uind turbine sutfers.
Key words:Wind Turbine;Wind Wheel;Wind Shear;Aerodynamic Performance;Numerical Simulation
收稿日期:2016-01-12
作者簡(jiǎn)介:張宏洋(1978-),男,山東省萊陽(yáng)市人,國(guó)電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司采購(gòu)與物資管理部工程師,碩士,主要研究方向:新能源發(fā)電技術(shù).
文章編號(hào):1005-2992(2016)02-0033-06
中圖分類(lèi)號(hào):TK124
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A