風電葉片除冰改造表面走線對氣動性能影響研究

陳威 楊建軍 肖智龍 朱加凱

摘 要：為了研究風電葉片后期加熱除冰改造過程中從葉片表面走線對葉片氣動性能的影響，該文基于NACA4412翼型，使用二維計算仿真的方式模擬了在翼型表面不同位置走線方式對翼型氣動性能的影響。先用Profili導出的翼型幾何數(shù)據(jù)和升阻扭力系數(shù)等基礎數(shù)據(jù)，再使用ANSYS-FLUENT進行仿真計算，將計算結果與Profili結果進行對比，驗證所建翼型計算模型；修改幾何數(shù)據(jù)，建立凸點，使用建立的仿真模型對含凸點的翼型進行計算。結果表明：風電葉片后期加熱除冰改造從吸力側近后緣走線對翼型氣動性能影響最小，從前緣走線影響最大。

關鍵詞：風電 葉片 除冰 翼型 仿真

中圖分類號：TK83 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（c）-0089-04

Abstract： For study aerodynamic of wind power blade which has power line on its surface to dicing by electric heating， Based on airfoil of NACA4412， effect of lying power line on surface of blade was simulated. Profili was used to export geometry、lift coefficient、drag coefficient and pitch coefficient， ICEM was used to compute grid， ANSYS-FLUENT was used to simulate. The result of simulation was used to compare with Profili data to verify the module. The verified module was used to simulate the convex which cause by power line. The results show that lying power line of heating deicing on suction side has least influence on aerodynamic of airfoil， and lying on lead has greatest influence.

Key Words： Wing turbine； Blade； Deicing； Airfoil； Simulation

隨著化石能源日益枯竭及其帶來的污染，人們越來越重視環(huán)保型的可再生能源，而風力發(fā)電因其單位功率合理，絕對的零污染等優(yōu)點正成為新能源演進的重要趨勢[1]。目前三葉片垂直風機是風電行業(yè)主流，葉片在低溫、高濕環(huán)境下轉動，其表面易結冰[2]，從而造成葉片氣動外形、載荷的改變，進而降低機組發(fā)電量及運轉的安全性[3，4]。

由于風電行業(yè)前幾年的爆炸式邁進，前期各整機廠及葉片廠對葉片結冰沒有足夠重視，沒有在前期設計中將抗結冰、除冰納入考慮。目前主流的抗結冰、除冰方式有貼膜、葉片內部空氣加熱、葉片表面貼加熱膜[5]及更該機組控制策略；從目前實踐中，葉片表面加熱除冰是最高效及安全的。

主要研究目前主流的葉片表面加熱除冰后期改造中，加熱電源及傳感器線從葉片表面走線對葉片氣動性能帶來的影響；基于BEM理論[6]，只需考慮單個翼型的氣動性能影響即可直接判斷不同走線位置對葉片整體氣動性能影響，即單獨研究翼型升力系數(shù)（Cl）、阻力系數(shù)（Cd）及扭力系數(shù)（Cm）。

1 模型建立

選取了NACA4412翼型為研究對象，使用Profili軟件[7]導出翼型幾何數(shù)據(jù)和其Cl、Cd及Cm；使用ANSYS-ICEM對幾何模型進行C型網(wǎng)格劃分，將翼型整體放置于遠揚壓力場（Pressure-far-field）中，翼型設置為wall。

所使用的湍流模型為S-A（Spalar-Allmaras）[8]，該模型是設計用于航空領域的，主要是墻壁束縛流動，而且已經(jīng)顯示出很好的效果。在熱工機械中的應用也愈加廣泛。S-A模型的偏微方程如下。

式中，Gν是湍流粘度生成的，Yν是被湍流粘度消去，發(fā)生在近壁區(qū)域。Sρ是用戶定義的。氣體density設置為ideal-gas，Visconsity設置為power-law。

2 模型驗證

為了驗證所建模型的正確性，首先模擬了-8°～13°，步進0.5°（附著區(qū)[9]）攻角情況下翼型的Cl、Cp及Cm，雷諾數(shù)Re=2.3E+6，馬赫數(shù)Ma=0.1；將模擬結果與Profili進行比較，比較結果如圖1所示。

由數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，所建立的二維翼型氣動仿真模型在Cl、Cd及Cm計算結果上與Profili導出結果基本吻合，所有數(shù)據(jù)點誤差均不超過0.2，該模型可用于翼型氣動仿真。

3 后緣走線翼型仿真

葉片走線，其高寬比為0.15，位于PS靠近后緣位置；另外還有從SS面靠近后緣走線及前緣中心走線方案。

物理模型基于NACA4412翼型，15.02%相對厚度，將PS/SS面走線在翼型表面定為距前緣距離相對弦長95%，前緣走線位于前緣中心，高度相弦長為0.2%，從最高點平滑過渡至翼型表面，高寬比為0.15。

4 結果與討論

4.1 前緣走線影響

圖2、圖3、圖4分別對比了在前緣位置有無走線時其對Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，前緣走線方式會對翼型氣動性能產生影響，但其影響幅值較小。

4.2 PS面近后緣走線影響

圖5、圖6、圖7分別對比了在PS面近后緣位置有無走線時其對Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，PS面近后緣走線方式會對翼型氣動性能產生影響，但其影響幅值較小。

4.3 SS面近后緣走線影響

圖8、圖9、圖10分別對比了在SS面近后緣位置有無走線時其對Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，SS面近后緣走線方式會對翼型氣動性能產生影響，但其影響幅值亦較小。

4.4 討論

表1描述了從前緣、PS面及SS面三處走線方式產生的氣動性能差值的累計值（-8°～13°，步進0.5°），從表中可以看出就升力系數(shù)而言，在SS側走線對氣動影響最小，這是因為升力系數(shù)主要來源于上下表面壓力差，在附著流區(qū)PS面壓力大于SS面壓力，走線設置于前緣時當攻角增大其走線位置逐漸向下壓面移動，從而造成下壓面壓力相對降低從而導致上下面壓力差降低，即升力系數(shù)降低，如圖8所示；走線位置設置于PS面時，PS面壓力始終略低于低于無走線情況，而走線設置于SS面時，由于未對壓力側氣壓產生影響故而對升力系數(shù)影響較小。

從阻力系數(shù)方面考慮，亦是在SS側走線對氣動影響最?。磺?種走線方式累計值均很小，這是因為在附著流區(qū)，翼型阻力主要為摩擦阻力。

而從俯仰力矩系數(shù)考慮，PS面走線方式對氣動影響最小。

5 結論

針對目前在役葉片后期除冰改造表面3種走線方式對葉片氣動性能的影響進行了研究，基于葉素理論[6]使用NACA4412二維翼型模擬了3種不同走線在葉片表面引起的外形改變后的氣動變化，從而得出三種走線方式對葉片氣動效率的影響，得出以下結論。

（1）就葉片發(fā)電效率而言，從SS側近后緣位置走線對葉片影響最小。

（2）對于葉片俯仰力矩來說，從PS面近后緣位置走線最佳。

（3）綜合考慮葉片各項氣動參數(shù)，不建議從葉片前緣走線。

參考文獻

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