動態(tài)來流及塔影效應(yīng)對風力機尾跡特性影響研究

楊莉 李麗 孫凱 胡丹梅

摘? ?要：臺風是風力發(fā)電機組的主要故障因素之一。針對正常風況和極端風況進行了UDF建模，得到的動態(tài)來流模型還考慮了陣風及極端風向變化情況，基于FLUENT采用滑移網(wǎng)格技術(shù)和RNG 研究了動態(tài)來流及塔影效應(yīng)對風力機下游尾跡特性的影響。結(jié)果表明：通過UDF編譯的動態(tài)來流與理論值完全吻合，驗證了UDF的正確性;風機前端來流的隨機波動會引起風力發(fā)電機輸出功率波動，尾跡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變。此外，扭矩以及功率受風機塔影效應(yīng)影響而下降，塔架表面升力突變，進而影響塔架疲勞壽命。數(shù)值計算的結(jié)果對風力機組結(jié)構(gòu)設(shè)計和風電場機組陣列分析具有重要參考價值。

關(guān)鍵詞：動態(tài)來流;塔影效應(yīng);尾跡;風力機

中圖分類號：TP391.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Study on Influence of Dynamic Inflow and Tower Shadow Effect

on Wake Characteristics of Wind Turbines

YANG Li1，LI Li1，SUN Kai2，HU Dan-mei2?

（1. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction of State Grid Hunan

Electric Power Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410129，China;

2. College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Abstract：Typhoon is one of the main factors lead to failure of wind turbines. Normal wind condition and extreme wind condition are modeling by UDF. Dynamic inflow model was built while gusty wind and extreme wind direction changing were considered. Based on FLUENT，sliding grid technology and RNG，the effects of dynamic incoming flow and tower shadow effect on the downstream wake characteristics of wind turbines are studied. The results show that the dynamic inflow compiled by UDF is in good agreement with the theoretical value，which verifies the correctness of UDF. The power output of wind turbines fluctuates with the changing of dynamic inflow. Deformation of wake geometry was also observed. The decreasing of torque and power of wind turbines was caused by tower shadow effect，which makes the lift of tower surface change sharply，and fatigues the tower. Life expectancy has a negative impact. The results of numerical calculation have important reference value for the structural design of wind turbine units and the array analysis of wind farm units.

Key words：dynamic inflow;tower shadow effect;wake;wind turbine

風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的電力設(shè)備，良好的風況是風機正常運行的前提條件，但由于風機所處自然環(huán)境中風速往往是不穩(wěn)定的，尤其是臺風等大風條件下風速分布存在強烈的湍流脈動特征，對風機的運行安全存在威脅[1-4]，而在現(xiàn)有研究中，通常以均勻風速作為條件，從而達到簡化運算的目的。但此種簡化方式未考慮風速分布中幅值及風向的變化特征，雖然有利于仿真計算，但是會導致仿真結(jié)果不能真實反映實際工況。同時，由于對風機性能要求的不斷提高，風機結(jié)構(gòu)尺寸也不斷增加以支持更高功率的發(fā)電機組，在這樣的背景下，有必要針對塔影效應(yīng)對風機功率輸出以及尾跡的影響進行研究，了解大型風力發(fā)電機組的空氣動力學特性。

沿海及海上風力發(fā)電機組在正常運行時會遇到臺風，尤其是在我國東南沿海地區(qū)，每年都會受到臺風侵襲[5]。臺風條件下氣流的湍流程度高，具有脈動變化特征[6-8]，針對風機的工況，使用Fluent軟件中的DUF模塊，對風機受到的來流進行了建模和編譯，主要考慮了正常及極端情況下風速高度變化，以及極端條件下陣風風速分布、考慮風向變化的風速分布等因素，用Fluent軟件分析了風機氣動性能和尾跡分布特征，并考慮了塔影效應(yīng)的影響。

1? ?動態(tài)來流及塔影效應(yīng)模型

1.1? ?正常條件下垂直風切變風速廓線分布模型

風切變是指風矢量在空中水平和垂直距離上的變化，按風向可分為水平風的水平切變、水平風的垂直切變、垂直風的切變[9-10]。其中垂直風的切變是導致風機輸出波動的主要因素[11]，也是本文的研究重點。根據(jù)風力發(fā)電機組設(shè)計要求，風速廓線V（y）可以表示為：

式中y為縱坐標，表示與地面距離;yhub為輪轂高度，取yhub = 90 m，取該高度處平均風速Vhub = 10 m/s;α為風速高度變化系數(shù)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范及相關(guān)設(shè)計規(guī)程，可以取值0.2。

1.2? ?極端條件下垂直風切變風速分布模型

風電機組在臺風等極端條件下會產(chǎn)生極限風載荷，在極端風況下，往往會產(chǎn)生湍流等劇烈變化的風速分布[12-15]，基于風力發(fā)電設(shè)計要求，規(guī)定重復周期為一年的極端垂直風切變V（y，t）為

式中α = 0.2;β = 4.8;T = 12 s;湍流長度尺度Λ = 21 m;風力機組風輪直徑D = 126 m;風速垂直分量標準差σ = 2.1 m/s。

1.3? ?極端條件下陣風風速分布模型

根據(jù)風力發(fā)電機組設(shè)計技術(shù)規(guī)程[16]，以重現(xiàn)期為1年的陣風風速為研究對象，其數(shù)學模型如下式所示：

式中T = 10.5 s;Vgust為重復周期為一年的輪轂高度陣風幅值，Vgust = β[σ/（1+0.1D/Λ）]。

1.4? ?極端風向變化風速模型

重復周期為一年的極端風向瞬間變化θ（t）為

式中θe為重復周期為一年的極端風向變化幅值，θe = ±βarctan[（σ/Vhub（1+0.1D/Λ）]。

根據(jù)風向角度不同，對風速取定向速度分量，以此間接反映風向角度變化，解決Fluent軟件中無法直接顯示角度變化的問題，求取速度分量的示意圖如圖1所示。

1.5? ?塔影效應(yīng)風速模型

塔影效應(yīng)是指由于塔架對氣流的阻擋作用，導致塔架后面氣流風速降低的現(xiàn)象，進而影響風機葉片附近的空氣動力場，這在大型風機上更為明顯，這是由于大型風機結(jié)構(gòu)尺寸更大[17-20]，對空氣流場的影響也更大。綜合考慮塔影影響，其風場為

式中Vhub為輪轂高度處風速;V0為所分析風場區(qū)域的平均風速; a為塔架等效半徑; x為塔架中心線到葉片平面的距離;y為葉片到塔架軸線水平方向的距離。

2? ?數(shù)值模型及計算

2.1? ?幾何模型

選取用于建模的風力機為NRELⅤ 5 MW風力發(fā)電機，該風機額定轉(zhuǎn)速為12.1 rpm，風輪直徑為126 m。所建立整機模型如圖2所示。

2.2? ?網(wǎng)格劃分

根據(jù)風機的運行特征，將所研究的流場區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域兩種，旋轉(zhuǎn)區(qū)域包括葉輪及輪轂等發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動的部分，除上述兩部分外的計算流場為靜止區(qū)域[21-23]。由于兩部分區(qū)域的流場模式不同，仿真過程中采用ICEM對旋轉(zhuǎn)、靜止區(qū)域進行分塊處理，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行劃分，葉片及塔架附近是關(guān)注重點，在此處建立O型網(wǎng)格并合理細化，對于各部分表面的法向，以指數(shù)函數(shù)設(shè)置節(jié)點分布，指數(shù)系數(shù)比率為1.2。固體模型表面網(wǎng)格邊距設(shè)置為1 mm，以確保所創(chuàng)建的邊界層網(wǎng)格具有較高劃分精度。為減少計算工作量，采用稀疏六面體網(wǎng)格對外圍次重要的關(guān)注區(qū)域進行劃分，處理后計算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量大為縮減，經(jīng)驗證創(chuàng)建網(wǎng)格的畸變率均小于0.85，符合網(wǎng)格質(zhì)量要求。所建立模型的網(wǎng)格剖分情況具體如圖3所示。

2.3? ?仿真計算及仿真邊界條件

基于風機運行特征所創(chuàng)建的仿真模型為流固耦合模型，采用FLUENT軟件對所建立的模型進行數(shù)值仿真分析，由于風機尾流的影響，導致下游流域內(nèi)流場發(fā)生變化，會產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)自由剪切流[24]，為分析上述條件下的流場分布，本文結(jié)合可壓縮流體的非穩(wěn)態(tài)三維雷諾特征、Navier-Stocks方程和Fluent中提供的 二方程模型，對流場進行分析。針對葉片旋轉(zhuǎn)運動情況，網(wǎng)格劃分過程中采用滑移網(wǎng)格對葉片部分進行動態(tài)描述，對于壓力速度耦合的算法選用Simple，對流項差分采用二階迎風格式。

風場分布是本文研究的側(cè)重點，為更好分析風速分布特征與葉片尾跡關(guān)系，采用UDF接口描述風速模型，UDF接口可以通過C語言進行編譯，屬于Fluent軟件中用戶自定義程序二次開發(fā)接口，可被Fluent直接識別，UDF編譯后將風速分布賦值至模型速度入口。

此外，根據(jù)風機實際運行狀態(tài)對所建立的模型進行邊界條件設(shè)置，出口處邊界條件采用自由出流outflow，遠場流場區(qū)域設(shè)為靜止wall，旋轉(zhuǎn)區(qū)域為interface，旋轉(zhuǎn)域流場為動態(tài)區(qū)域，其內(nèi)部網(wǎng)格類型設(shè)置為Moving Mesh，同時設(shè)置此部分具有所選定風力機的相同額定旋轉(zhuǎn)速度，值為ω = 12.1 rpm。

葉片和輪轂設(shè)為Wall，同時認為壁面無滑移，各類固體邊界設(shè)置為靜止wall。

3? ?仿真結(jié)果與分析

3.1? ?動態(tài)來流風場模型準確性驗證

根據(jù)需要，在仿真區(qū)域中設(shè)置監(jiān)測點于輪轂高度處，記錄仿真結(jié)果中風速隨時間變化特征，以及極端垂直風切變、極端陣風和風向變化隨時間變化特征，上述特征的仿真計算結(jié)果與理論值的對比曲線如圖4所示。

由圖4的結(jié)果中看到，各風況下的風速隨時間變化的仿真值與理論值基本相符，采用UDF能夠有效地對動態(tài)來流進行仿真，滿足工程需求。

3.2? ?動態(tài)來流對風力機尾跡的影響

不同動態(tài)來流扭矩變化與均勻來流和設(shè)計值比較圖如圖5所示。由圖5可知，各風況下動態(tài)來流的扭矩值較設(shè)計值偏小，誤差產(chǎn)生原因為限于計算能力，部分網(wǎng)格粗略劃分并使用滑移網(wǎng)格計算。風機輸出功率可由風機扭矩與對應(yīng)轉(zhuǎn)速計算而得，隨時間變化功率呈波動特性，與UDF函數(shù)模型相符。正常垂直風切變工況與均勻來流相近。而在極端垂直風切變、極端運行陣風以及極端風向變化情況下，風機扭矩存在較大波動，其中極端風向變化導致的波動頻率較高，且最高功率超過5.5 MW，超過風機額定功率，存在疲勞荷載破壞的可能性，威脅風機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運行安全。針對上述情況，應(yīng)根據(jù)風力機組結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，進行風電場合理選址并仔細分析當?shù)貥O端風況，進行針對性保護和優(yōu)化。

針對動態(tài)來流對風力機尾跡區(qū)內(nèi)的風速分布進行了研究，選取下游同一位置處進行仿真分析，得到速度梯度及面流線的分布情況，如圖6所示。在X = D處，存在不同風速分布及風速分層，進一步對UDF的正確性進行了驗證，且下游風速更加復雜。同時，通過仿真得到不同風況下風力機下游同一位置處風速及強度分布，其風速梯度和湍流強度如圖7所示。據(jù)圖7可知，正常垂直風切變和極端運行陣風的速度梯度略低于均勻來流，此三種風況下風速尾跡分布相近，極端垂直風切變條件下風速數(shù)值最小，風機下游尾跡流動呈漩渦狀態(tài)，均勻來流的尾跡分布特征為以輪轂高度為中心的擴散狀漩渦，由圖6（a）所示。動態(tài)來流導致風機尾跡出現(xiàn)較大變化，三種極端運行陣風工況下尾跡結(jié)果變化特性相近，渦核基本處于輪轂高度附近，但是渦旋的尺寸出現(xiàn)變化，由圖6（b）至由圖6（d）所示。橫向比較來看，風機葉輪根部漩渦形狀較為規(guī)則，而在葉片尖端處則為不規(guī)則漩渦。極端風向變化條件下風機下游尾跡機構(gòu)呈不規(guī)則變化特性，由圖6（e）所示。

3.3? ?塔影效應(yīng)對風力機尾跡的影響

根據(jù)所選用的NREL5MW風機的結(jié)構(gòu)與運行數(shù)據(jù)，對塔影效應(yīng)對風力機尾跡的影響進行了研究。選定風機葉片數(shù)目為3片，額定轉(zhuǎn)速為12.1 rmp/s，可計算得到旋轉(zhuǎn)周期值為5.04 s，葉片旋轉(zhuǎn)周期為1.68 s，葉片旋轉(zhuǎn)至塔架正前方的周期與風機輸出扭矩波動周期一致，設(shè)定時間參數(shù)t = 18.48 s，該時刻不同動態(tài)來流條件下塔架存在狀況對風機輸出功率變化的影響如表1所示。如表1所示，計算結(jié)果表明，塔架產(chǎn)生的塔影效應(yīng)會導致風機輸出功率下降，即塔影效應(yīng)對風機運行功率會造成影響。同時，葉片旋轉(zhuǎn)過程中，塔架表面升力因葉片旋轉(zhuǎn)位置不同而產(chǎn)生變化，塔架表面升力隨時間的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，塔架表面升力隨時間呈周期性變化，變化周期與葉片旋轉(zhuǎn)周期相同，當塔架位于片葉片尾跡區(qū)時，塔架表面升力驟降，塔架表面升力突變，這樣的長時間周期性升力變化會導致塔架產(chǎn)生嚴重疲勞破壞。

對t = 18.48 s時刻不同高度處風機葉片與塔架的相互影響進行研究，結(jié)果如圖9所示。該時刻葉片位于塔架正前方，模型考慮到風機葉輪的旋轉(zhuǎn)，入流風速應(yīng)為相對風速，這與風機實際運行情況相符。仿真結(jié)果表明在不同高度處尾跡區(qū)內(nèi)速度梯度的分布具有相似特征，根據(jù)風場分布特征發(fā)現(xiàn)風機葉片與塔架之間存在互擾干涉，且塔架背后的渦流可能影響風機下游尾跡。

4? ?結(jié) 論

針對風力發(fā)電機組運行條件，使用Fluent中UDF模塊建立了正常風況和極端風況下動態(tài)來流模擬，對動態(tài)來流以及塔影效應(yīng)對風機下游尾跡影響進行了仿真分析。結(jié)果表明，不同風況下風機功率輸出特性存在不同。其中，極端運行陣風下風機的功率輸出明顯低于均勻來流下情況，而其他三種極端風況下則出現(xiàn)了不同程度的功率過載現(xiàn)象。風力機產(chǎn)生的塔影效應(yīng)會導致風機輸出功率和扭矩下降，塔架表面升力周期性波動，波動周期由葉輪轉(zhuǎn)速決定，威脅塔架疲勞壽命。

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