塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡影響的數(shù)值分析

胡丹梅, 潘衛(wèi)國(guó)

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

塔架支撐整個(gè)風(fēng)力機(jī),同時(shí)還要承受來(lái)流風(fēng)的壓力和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的載荷。塔架的存在勢(shì)必會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡產(chǎn)生一定的影響,即為塔影效應(yīng)。所謂塔影效應(yīng)是指當(dāng)自由來(lái)流風(fēng)經(jīng)過(guò)塔架時(shí),由于塔架的阻擋導(dǎo)致風(fēng)速減小以及作用在風(fēng)輪上的載荷產(chǎn)生周期性震蕩的現(xiàn)象。塔影效應(yīng)會(huì)造成風(fēng)力機(jī)輸出功率減小以及氣動(dòng)載荷的波動(dòng),進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)葉片及塔架的疲勞壽命,并且其對(duì)尾跡流場(chǎng)的擾動(dòng)也會(huì)往風(fēng)力機(jī)下游傳遞,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的下游風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生影響。因此,研究塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響非常重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于塔影效應(yīng)都有一定的研究,研究對(duì)象主要集中于塔筒式風(fēng)力機(jī)。CHATTOT J J[1]建立了螺旋渦模型(該模型相當(dāng)于一個(gè)下風(fēng)向裝置),分別對(duì)其在5 m/s、7 m/s、10 m/s、12 m/s的風(fēng)速及30°的偏航角度下進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,這一模型能夠在一定程度上應(yīng)用于塔影效應(yīng)的研究,成本低,通用性強(qiáng)。LACKNER M A等人[2]建立了二維和三維模型來(lái)模擬上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的塔影效應(yīng),并對(duì)二維和三維模型的速度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)三維模型的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)。REISO M等人[3]建立了下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)塔架的二維模型,并采用一種新方法進(jìn)行了定常和非定常模擬,分析了塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機(jī)尾跡寬度、湍流強(qiáng)度變化及速度損失。范忠瑤等人[4]使用FINETM/Turbo軟件對(duì)上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)葉片和塔架進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,然后對(duì)葉片載荷、表面壓力、法向力系數(shù)及流場(chǎng)分布進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,塔架的影響會(huì)使風(fēng)力機(jī)的載荷發(fā)生很大變化,同時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)也會(huì)使塔架的受力不均。封晨穎[5]以風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了10 kW風(fēng)力機(jī),并進(jìn)行了載荷計(jì)算;建立了塔架和翼型截面的二維模型,分析了相對(duì)距離對(duì)翼型周?chē)鲌?chǎng)分布和壓力系數(shù)的影響;建立了風(fēng)力機(jī)整機(jī)的三維模型,分析了塔架對(duì)葉片的壓力分布和推力的影響?？滓賱偟热薣6]在考慮了風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速模型,分析了不同塔架高度、塔架直徑、風(fēng)剪切系數(shù)等對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)速的影響。范忠瑤[7]對(duì)塔架的脫落渦與風(fēng)力機(jī)葉片的相互作用等氣動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

本文選用NREL 5 MW[8]風(fēng)力機(jī),采用SSTk-ω湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模擬,對(duì)比分析了塔筒式和桁架式風(fēng)力機(jī)的塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的影響。

1 物理模型及數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

本文采用NREL 5 MW風(fēng)力機(jī),在所建立的風(fēng)輪模型上分別采用塔筒和桁架支撐,如圖1所示,其中風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是沿x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。塔筒及桁架的具體數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)整機(jī)模型

表1 塔筒式風(fēng)力機(jī)塔筒幾何參數(shù)m

表2 桁架式風(fēng)力機(jī)桁架幾何參數(shù) m

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

首先建立風(fēng)力機(jī)模型,然后建立計(jì)算流場(chǎng)模型。外圍流場(chǎng)采用長(zhǎng)方體形流場(chǎng),并且外圍流場(chǎng)分成兩個(gè)部分,一部分為包含風(fēng)力機(jī)模型的旋轉(zhuǎn)域,另一部分為旋轉(zhuǎn)域外的靜止域。流場(chǎng)模型如圖2所示。

圖2 流場(chǎng)計(jì)算域

外圍流場(chǎng)的入口距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面1D(126 m),出口距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面20D(2 520 m);旋轉(zhuǎn)域直徑為70 m,其入口距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面3 m,出口距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面3 m。葉片周?chē)⑺苤車(chē)W(wǎng)格劃分如圖3～圖5所示。

圖3 葉片周?chē)W(wǎng)格劃分

圖4 塔筒周?chē)W(wǎng)格劃分

圖5 桁架周?chē)W(wǎng)格劃分

為了滿(mǎn)足y+的要求,葉片第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,并按1.2的增長(zhǎng)率進(jìn)行網(wǎng)格加密,加密層數(shù)為30層;塔筒表面第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.15,加密層數(shù)為20層;桁架表面第一層網(wǎng)格尺寸為1 mm,網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.2,桁架表面至內(nèi)區(qū)域邊界的網(wǎng)格數(shù)為15個(gè)。塔筒周?chē)W(wǎng)格總數(shù)為2.03×106個(gè),整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為4.0×106個(gè);桁架所在的小靜止域網(wǎng)格數(shù)為4.9×105個(gè),外圍大靜止域網(wǎng)格數(shù)為2.0×106個(gè),整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為4.5×106個(gè)。

1.3 控制方程

本文數(shù)值模擬計(jì)算基于N-S方程,考慮到湍流模型需與壁面函數(shù)法兼容以及葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),選用帶有湍流漩渦修正的RNGk-ε兩方程模型,離散格式為二階迎風(fēng),利用SIMPLE算法進(jìn)行求解[9]。采用滑移網(wǎng)格法計(jì)算,設(shè)置旋轉(zhuǎn)域,以葉輪旋轉(zhuǎn)軸為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),風(fēng)力機(jī)組部件視為剛性,不考慮流固耦合。

RNGk-ε模型控制方程[10]為:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中:ρ——空氣密度;

k——湍流脈動(dòng)動(dòng)能;

t——時(shí)間;

xi,xj——空間某一方向(i,j=1,2,3);

ui——速度在某一方向上的分量(i=1,2,3);

αk——湍流動(dòng)能普朗特?cái)?shù)的倒數(shù);

μeff——有效黏性系數(shù);

Gk——產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;

Gb——由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;

ρε——耗散項(xiàng)的密度;

YM——在可壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng);

ε——脈動(dòng)耗散率;

αε——湍流耗散率普朗特?cái)?shù)的倒數(shù);

C1ε,C2ε,C3ε——模型默認(rèn)常數(shù);

Rε,Sk,Sε——用戶(hù)自定義項(xiàng)。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機(jī)受力分析

圖6為風(fēng)力機(jī)塔架表面所受到的升力和阻力隨風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的變化曲線(xiàn)。

從圖6可以看出,對(duì)于塔筒式風(fēng)力機(jī),每當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到塔筒的前方時(shí),塔筒表面所受到的升力和阻力的大小和方向都發(fā)生急劇的轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)?此時(shí)塔筒正處于風(fēng)力機(jī)葉片的尾跡中,塔筒對(duì)尾跡氣流的劇烈擾動(dòng)使得塔筒的受力發(fā)生突變,如果長(zhǎng)時(shí)間處于這種影響中會(huì)對(duì)塔筒造成嚴(yán)重的損壞。對(duì)于桁架式風(fēng)力機(jī),其所受到的升力和阻力的最大差值分別為9 500 N和8 000 N,相比于塔筒所受到的最大升力差值32 000 N和最大阻力差值26 000 N,桁架所受的升力和阻力要明顯小于塔筒所受的升力和阻力,并且沒(méi)有太大的波動(dòng)和規(guī)律性,雖然每次葉片旋轉(zhuǎn)到桁架前方時(shí),桁架所受到的升力和阻力都有所變化,但變化不明顯。造成這些現(xiàn)象的原因,是因?yàn)闅饬鞯竭_(dá)桁架時(shí),有一部分氣流可以從桁架的鋼柱之間穿過(guò),另一部分氣流則要受到多根鋼柱的阻擋作用,通過(guò)每一根鋼柱時(shí)都要發(fā)生繞流現(xiàn)象,每根繞流的疊加使得氣流的擾動(dòng)變得復(fù)雜;而氣流在到達(dá)塔筒時(shí)則會(huì)受到完全阻擋,使塔筒受到很大的升力和阻力。這也充分說(shuō)明桁架式風(fēng)力機(jī)的受力遠(yuǎn)小于塔筒式風(fēng)力機(jī),更有利于結(jié)構(gòu)的安全。

圖6 風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的塔架表面升力和阻力變化曲線(xiàn)

2.2 塔影效應(yīng)下的風(fēng)力機(jī)速度和湍流強(qiáng)度分析

2.2.1 塔影效應(yīng)對(duì)近尾跡流場(chǎng)的影響

首先分析風(fēng)力機(jī)塔架前后距離塔架比較近的位置處的風(fēng)速和靜壓的變化,提取塔架前0.5d(d為塔架底部直徑)和塔架后0.5d處的風(fēng)速和靜壓做成曲線(xiàn),如圖7和圖8所示。

從圖7可以明顯看出,來(lái)流風(fēng)在兩種形式的塔架前后的速度都有明顯變化。這種變化在塔架正前方和正后方中心附近的位置最明顯,并且從圖7(b)可以看到,氣流在經(jīng)過(guò)塔架后,其速度在塔架附近的變化都很劇烈,但是桁架式風(fēng)力機(jī)的速度變化要小于塔筒式風(fēng)力機(jī)。這是因?yàn)闅饬髟诮?jīng)過(guò)塔架后很小的距離內(nèi),由于氣流在塔架的繞流作用導(dǎo)致塔架正后方的氣流速度很小,而塔架兩側(cè)的氣流受到擠壓,速度很大,并且由于氣流在塔筒所受到的擠壓要大于在桁架的細(xì)長(zhǎng)鋼柱處所受到的擠壓,所以塔筒后方的速度變化要大于桁架。由圖8的靜壓變化可以看出,靜壓在塔架前后也發(fā)生了變化,其中桁架前后的壓力變化最大值為30 Pa,而塔筒前后的壓力變化最大值則達(dá)到了70 Pa,桁架前后的壓力變化明顯小于塔筒,這也是由塔架結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的繞流作用不同所引起的。因此,對(duì)于塔架本身來(lái)說(shuō),桁架式的結(jié)構(gòu)更安全一些。

圖7 兩種塔架前后速度變化曲線(xiàn)

圖8 兩種塔架前后靜壓力變化曲線(xiàn)

圖9為0.6R處的湍流強(qiáng)度云圖。

圖9 兩種塔架0.6R處的湍流強(qiáng)度云圖

從圖9可以看出,塔架的存在會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)生一定的影響。相互影響最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在葉根處,并且由于塔架的擾動(dòng),使風(fēng)力機(jī)尾跡區(qū)產(chǎn)生很大的湍流強(qiáng)度。對(duì)比兩種形式的塔架可以看出,桁架式的塔架對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡氣流的擾動(dòng)要大于塔筒式的塔架,其擾動(dòng)的范圍及強(qiáng)度也要大一些。

圖10為風(fēng)力機(jī)下游0.5倍風(fēng)輪直徑處,兩種形式塔架不同葉高處的速度和湍流強(qiáng)度對(duì)比曲線(xiàn)。從圖10可以看出,塔筒式風(fēng)力機(jī)的速度最小值和湍流強(qiáng)度最大值都出現(xiàn)在接近塔筒正后方的位置,速度虧損的最大值約為30%,湍流強(qiáng)度最大值約為40%;對(duì)于桁架式風(fēng)力機(jī)而言,其速度最小值和湍流強(qiáng)度最大值的出現(xiàn)位置并不固定,主要是由桁架結(jié)構(gòu)造成的,在不同葉高處的截面,其鋼柱的位置是不同的,導(dǎo)致氣流繞流鋼柱的位置也發(fā)生了變化,桁架式風(fēng)力機(jī)的速度虧損最大值達(dá)到了70%,湍流強(qiáng)度最大值則達(dá)到了120%,明顯大于塔筒式風(fēng)力機(jī)。這充分說(shuō)明桁架對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡的影響要大于塔筒對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾跡的影響。

2.2.2 塔影效應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)尾跡流場(chǎng)的影響

圖11和圖12為兩種形式塔架下游不同截面的風(fēng)速曲線(xiàn)。

從圖11和圖12可以看出,在風(fēng)力機(jī)下游2倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi),塔影效應(yīng)的影響是最大的,但隨著距離風(fēng)力機(jī)越來(lái)越遠(yuǎn),塔影效應(yīng)開(kāi)始逐漸減小,風(fēng)速開(kāi)始逐漸恢復(fù)[11]。在z=-40 m處下游8倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速的80%左右,而桁架式風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)風(fēng)速才恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速的75%左右;在z=-56.7 m處下游8倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)風(fēng)速已經(jīng)恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速的85%左右,而桁架式風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)風(fēng)速才恢復(fù)到來(lái)流風(fēng)速的80%左右;在12倍風(fēng)輪直徑處,塔筒式風(fēng)力機(jī)的流場(chǎng)速度已經(jīng)恢復(fù)到接近來(lái)流風(fēng)速的90%,桁架式也已經(jīng)恢復(fù)到85%。由此表明,在風(fēng)力機(jī)下游相同距離處,塔筒式風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的最小速度總是略大于桁架式風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的最小速度;此外,速度分布曲線(xiàn)的形狀受塔架形狀的影響,這種影響在桁架式風(fēng)力機(jī)上的表現(xiàn)要明顯一點(diǎn),并且隨著距離塔架越來(lái)越遠(yuǎn),塔架的形狀對(duì)流場(chǎng)速度分布曲線(xiàn)的影響開(kāi)始減弱。

圖13為兩種形式塔架不同截面的最小速度曲線(xiàn)。

圖10 兩種塔架不同葉高處的速度和湍流強(qiáng)度對(duì)比

從圖13可以看出,無(wú)論是哪種形式的塔架,在來(lái)流風(fēng)到達(dá)風(fēng)力機(jī)時(shí),風(fēng)速都有很大的下降,而隨著距離風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)平面越來(lái)越遠(yuǎn),兩種形式塔架的風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的最小速度都逐漸增大,并且在0～5D的范圍內(nèi)風(fēng)速增加的最快,但桁架式風(fēng)力機(jī)不同截面的最小速度始終略小于塔筒式風(fēng)力機(jī)。

因此,在選用桁架作為風(fēng)力機(jī)塔架時(shí),風(fēng)力機(jī)的布置間距要考慮略大于塔筒式風(fēng)力機(jī)的布置間距。

圖11 兩種塔架在z=-40 m處下游不同截面風(fēng)速曲線(xiàn)

圖12 兩種塔架在z=-56.7 m處下游不同截面風(fēng)速曲線(xiàn)

圖13 兩種形式塔架不同截面的最小風(fēng)速曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

本文利用FLUENT軟件對(duì)兩種形式塔架的風(fēng)力機(jī)整機(jī)進(jìn)行了模擬分析,在對(duì)塔影效應(yīng)下的塔筒式和桁架式風(fēng)力機(jī)受力情況、速度及湍流強(qiáng)度分布進(jìn)行了對(duì)比分析后,得出如下結(jié)論。

(1) 對(duì)比塔架表面所受的升力和阻力可以看出:對(duì)于塔筒式塔架的風(fēng)力機(jī),每當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到塔筒的前面時(shí),塔筒表面所受到的升力和阻力的大小和方向都發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變;對(duì)于桁架式風(fēng)力機(jī),桁架所受的升力和阻力明顯小于塔筒所受的升力,并且沒(méi)有太大的波動(dòng)和規(guī)律性。所以,對(duì)于塔架本身來(lái)說(shuō),桁架式的結(jié)構(gòu)更安全一些。

(2) 對(duì)比風(fēng)力機(jī)下游0.5倍風(fēng)輪直徑處兩種形式塔架的速度和湍流強(qiáng)度曲線(xiàn)可以看出:塔筒式風(fēng)力機(jī)的速度最小值和湍流強(qiáng)度最大值都出現(xiàn)在接近塔筒正后方的位置,速度虧損的最大值約為30%,湍流強(qiáng)度最大值約為40%;對(duì)于桁架式風(fēng)力機(jī)。所以,其速度最小值和湍流強(qiáng)度最大值出現(xiàn)的位置并不固定,速度虧損最大值達(dá)到了70%,湍流強(qiáng)度最大值則達(dá)到了120%,明顯大于塔筒式風(fēng)力機(jī)。所以,說(shuō)明桁架對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響大于塔筒對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響。

(3) 對(duì)比兩種形式塔架下游不同截面的風(fēng)速曲線(xiàn)可以看出:在風(fēng)力機(jī)下游2倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi),塔影效應(yīng)的影響是最大的,隨著距離風(fēng)力機(jī)越來(lái)越遠(yuǎn),塔影效應(yīng)也開(kāi)始逐漸減小,風(fēng)速開(kāi)始逐漸恢復(fù),在0～5D范圍內(nèi)風(fēng)速增加的速度最快,并且在風(fēng)力機(jī)下游相同距離處,塔筒式風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的最小速度總是略大于桁架式風(fēng)力機(jī)的尾跡流場(chǎng)最小速度。所以,桁架式風(fēng)力機(jī)的布置間距要考慮略大于塔筒式風(fēng)力機(jī)的布置間距。另外,

速度分布曲線(xiàn)的形狀受塔架形狀的影響,這種影響在桁架式風(fēng)力機(jī)上的表現(xiàn)要明顯一點(diǎn),并且隨著距離塔架越來(lái)越遠(yuǎn),塔架的形狀對(duì)流場(chǎng)速度分布曲線(xiàn)的影響開(kāi)始減弱。