風(fēng)電機(jī)組葉尖扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉尖渦的影響研究

文 | 程明哲，龔玉祥，周曉亮，翁海平

葉片的氣動(dòng)性能關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的載荷與發(fā)電量等諸多方面，因此，開(kāi)展相關(guān)的研究就顯得尤為重要。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，影響葉片氣動(dòng)性能的因素很多，其中，葉尖渦即是一個(gè)關(guān)鍵的因素而且受到越來(lái)越多的關(guān)注。在近尾流區(qū)域，因葉尖渦而形成的誘導(dǎo)速度會(huì)對(duì)自身葉片的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響；在遠(yuǎn)尾流區(qū)域，葉尖渦的發(fā)展則會(huì)對(duì)下游風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生氣動(dòng)干擾。隨著關(guān)于葉尖渦研究的不斷開(kāi)展，有相當(dāng)一部分研究通過(guò)PIV試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法分析了葉尖渦的形成與其渦流特性，并通過(guò)相應(yīng)的控制方法抑制葉尖渦的發(fā)展。其中較為典型的為葉尖小翼和鋸齒尾緣。

已有的研究都比較詳細(xì)地分析了葉尖渦的成因、構(gòu)成、發(fā)展趨勢(shì)和控制方法，但很少有研究表明葉尖扭轉(zhuǎn)角的影響。本文通對(duì)葉尖不同扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行建模，利用數(shù)值模擬的方法分析了葉尖扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉尖渦的抑制作用。同時(shí)，進(jìn)一步分析不同扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉尖載荷的影響，更加綜合地評(píng)估通過(guò)改變?nèi)~尖扭轉(zhuǎn)角方法控制葉尖渦的可行性。希望通過(guò)本文的研究為葉片扭轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

葉尖建模與計(jì)算方法

本文主要研究2MW風(fēng)電機(jī)組60m長(zhǎng)葉片在10m/s來(lái)流風(fēng)況運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的葉尖渦。為減少計(jì)算量，本文截取了葉尖距離葉根56～60m的區(qū)域進(jìn)行建模分析。其翼型采用DU93-W-210，模型兩端的弦長(zhǎng)分別為1m與0.05m，中間區(qū)域則通過(guò)四階函數(shù)插值得到。距葉根56m處的扭轉(zhuǎn)角為0°（對(duì)應(yīng)攻角為6°），60m處扭轉(zhuǎn)角分別為0°、5°和10°（對(duì)應(yīng)的葉尖截面攻角為6°、1°和-4°），56m與60m之間區(qū)域的扭轉(zhuǎn)角為線性過(guò)渡。葉尖外形數(shù)模如圖1所示。

一、網(wǎng)格劃分

本文采用ANSA前處理軟件對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。葉片表面使用三角形殼網(wǎng)格，并在前緣與后緣適當(dāng)加密。在近壁區(qū)間的邊界層區(qū)域，設(shè)置初始邊界層厚度為0.005mm，葉片邊界層數(shù)為30層，邊界層厚度比例為1.1，經(jīng)計(jì)算其綱量一高度Y+小于1。同時(shí)，對(duì)葉片周圍及尾流區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密，從而確保近壁區(qū)間葉尖渦模擬分析的準(zhǔn)確性。邊界層以外的流場(chǎng)區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為560萬(wàn)。網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 葉尖扭轉(zhuǎn)角5°模型

圖2 葉片及流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

二、邊界條件與計(jì)算方法

本文計(jì)算模型的邊界條件如圖3所示。其中紅色區(qū)域?yàn)樗俣热肟冢⒔Y(jié)合FLUENT UDF對(duì)速度入口的X方向和Y方向進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，從而定義葉片旋轉(zhuǎn)的效果。入口速度如公式1所示。

式中，UX表示速度入口處X方向速度，UY表示速度入口處Y方向速度，ω表示風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度，r表示葉片各截面相對(duì)葉根的距離。

圖3中的藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗俣冗h(yuǎn)場(chǎng)，綠色區(qū)域?yàn)閴毫Τ隹?，模擬了風(fēng)電場(chǎng)無(wú)限遠(yuǎn)處的流場(chǎng)。整個(gè)葉尖壁面設(shè)置為無(wú)滑移。

本文的數(shù)值模擬基于有限體積法，求解的控制方程為雷諾平均N-S法（RANS），其表達(dá)式如公式（2）所示。

式中，u1表示流場(chǎng)平均速度，ρ表示流體密度，p表示流場(chǎng)平均壓強(qiáng)，v表示流體粘度，u′表示繞平均速度振動(dòng)的速度矢量，ui′表示圍繞平均速度在i方向振動(dòng)的速度。

由于RANS為非閉合方程，需要結(jié)合湍流模型進(jìn)行求解。本文采用由Menter F R提出的SST k-w湍流模型，其結(jié)合了邊界層內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)k-w模型和邊界層外部的高雷諾數(shù)的k-e模型，能夠更精確地模擬葉尖渦所涉及的邊界層湍流與自由剪切湍流。

計(jì)算采用壓力穩(wěn)態(tài)求解器，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，二階迎風(fēng)。

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

一、 葉尖渦形成

旋渦有很多表現(xiàn)特征，比如在渦核中心位置，速度與靜壓都很低，因此，可以通過(guò)總壓判斷渦核的位置。圖4分別通過(guò)總壓與Q-Criterion描述了0°扭轉(zhuǎn)角葉尖處渦流的形成。

從圖4（a）中總壓等值線可以看出，在葉尖前緣壓力面和端面之間有旋渦產(chǎn)生，并且渦核位于靠近壓力面的葉尖端面上。隨著截面向后緣方向推移，靠近壓力面的渦核開(kāi)始擴(kuò)散，并逐漸向吸力面靠近。在葉尖大約1/2的弦長(zhǎng)處，靠近葉尖端面的吸力面上形成另一個(gè)渦流，其尺寸與渦量均逐漸增大。隨后在葉尖后緣，兩個(gè)渦流合并，并脫離后緣。從圖4（b）的渦量等值面中，更直觀地表現(xiàn)出渦流在葉尖處的生成與發(fā)展過(guò)程。

圖3 計(jì)算域模型

圖4 葉尖總壓等值線與渦量等值面

二、葉尖扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉尖渦的影響

圖5分別為葉尖扭轉(zhuǎn)角0°、5°和10°對(duì)應(yīng)的渦量等值線圖。

從圖5（a）中可以明顯觀測(cè)到靠近葉尖處尾流的渦核，并且其渦量值最大，在x＝1m（距離葉片旋轉(zhuǎn)軸1m）處的渦核具有420s－1的渦量值，隨著x的增加，渦核尺寸開(kāi)始增加，而渦量逐漸減少。同樣在圖5（b）中，也能夠觀測(cè)到渦流相同的發(fā)展趨勢(shì)，但在x＝1m處的最大渦量?jī)H為150s－1。當(dāng)葉尖扭轉(zhuǎn)角增大到10°時(shí)，如圖5（c）所示，渦核已經(jīng)消失。可見(jiàn)，扭轉(zhuǎn)角的增加對(duì)葉尖渦的減弱起到非常明顯的效果。

圖5 各扭轉(zhuǎn)角下測(cè)得的渦量等值線圖

三、葉尖扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉片載荷的影響

圖6 葉尖升力系數(shù)與載荷隨扭轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)

增大扭轉(zhuǎn)角不僅能對(duì)葉尖渦的強(qiáng)度起到一定的抑制作用，相應(yīng)會(huì)使得葉尖載荷也有很大程度的減小。從圖6可以看出，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角從0°增大到10°，葉片升力系數(shù)Cl值由0.83減小為0.47。與此同時(shí)，葉片揮舞和擺陣方向的合力也由0°扭轉(zhuǎn)角的6465N減小為10°扭轉(zhuǎn)角的3665N，減少2800N。對(duì)于一個(gè)60m長(zhǎng)的葉片來(lái)說(shuō)，葉根載荷可減少約170kNm?？梢?jiàn)，在葉片逐漸加長(zhǎng)的背景下，通過(guò)改變?nèi)~尖扭轉(zhuǎn)角不僅能夠有效減弱葉尖渦的強(qiáng)度，對(duì)葉片降載也起到一定的作用。

結(jié)論

本文以2MW風(fēng)電機(jī)組60m葉片距離葉根56～60m的葉尖區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，借助CFD分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同葉尖扭轉(zhuǎn)角對(duì)葉尖渦和葉尖載荷的影響，分析結(jié)果總結(jié)如下：

（1）在葉尖扭轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，葉尖前緣壓力面和端面之間有旋渦產(chǎn)生，在大約1/2的弦長(zhǎng)處、靠近端面的吸力面上形成渦核，其尺寸與渦量均逐漸增加。隨后在葉尖后緣，兩個(gè)渦核合并并脫離后緣。

（2）葉尖渦在剛脫離后緣時(shí),具有較大的渦量值，隨著向背風(fēng)面推移，渦核尺寸開(kāi)始增加，而渦量逐漸減少。

（3）葉尖渦渦量對(duì)葉尖扭轉(zhuǎn)角比較敏感。當(dāng)葉尖扭轉(zhuǎn)角逐漸增大時(shí)，葉尖渦的渦量逐漸減少。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角增至10°時(shí)（此時(shí)葉尖攻角為-4°），已無(wú)法測(cè)得明顯的渦核。

（4）葉片升力系數(shù)Cl和葉片載荷F均隨著扭轉(zhuǎn)角的增加而降低，可見(jiàn)扭轉(zhuǎn)角不僅能夠抑制葉尖渦的強(qiáng)度，同時(shí)有效減小了葉尖載荷。