基于流固耦合的風力發(fā)電機周圍流場特性分析

劉玥君，鄧文強，張 猛

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.吉林市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究院，吉林 吉林 132001)

我國地域遼闊，風能資源十分豐富，近年來在國家政策的大力扶持下，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)愈發(fā)壯大.風力發(fā)電機所處的風場環(huán)境是非常復雜的，風力發(fā)電機在運行中會因風壓的作用而產(chǎn)生變形和位移，而變形和位移會反過來對風場的流動而產(chǎn)生影響，從而導致風力發(fā)電機表面風壓隨之變化，如此來回往復的相互影響即為風力發(fā)電機與風場的耦合機理[1].國內外許多學者都在這一領域進行了研究，Bing zheng Dou等[2]使用一個風力渦輪模型，改變了葉尖速比、變槳距和偏航角，對其性能進行了系統(tǒng)的試驗研究.Y.Bazilevs等[3]采用先進的計算方法預測在實際風速和轉子轉速下運行的風力渦輪機復合材料葉片的疲勞損傷演化.Ehsan Borouji等[4]使用雙向耦合FSI模擬研究了全尺寸風力機的風塔和轉子葉片振動特性.彭文春等[5]研究了大型風力機塔筒在隨機風荷載下的受力和變形特性.常麗平等[6]對復合材料的風力發(fā)電機葉片進行研究，分析了不同風速和葉片厚度對風力發(fā)電機應力及變形的影響.毛軍等[7]考慮了葉片在運轉過程中的彈性變形與振動對流場的影響.莫秋云等[8]對離網(wǎng)小型垂直軸風力發(fā)電機葉片進行了流固耦合計算，研究了葉片的氣動性能.起雪梅，張敬東[9]對2.0 MW風力發(fā)電機的葉片模型進行了流固耦合分析，得到了葉片在流場中應力、應變和變形等有限元分析結果.陳海萍等[10]對風力發(fā)電機葉片在風、重力和離心力的耦合作用下的動力特性進行了仿真分析.胡丹梅等[11]對海上風力機的葉片在流固耦合條件下進行了變形及振動分析.牛建剛等[12]建立了風力發(fā)電機塔筒的三維風場模型，通過CFD數(shù)值模擬計算出風流經(jīng)風力發(fā)電機塔筒時風壓分布情況，提出了塔筒風壓體型系數(shù)的建議取值.聶永輝等[13]甚于多小波和峭度準則對風力發(fā)電機滾動軸承故障進行檢測，保證風力發(fā)電機的安全運行.

目前對風力發(fā)電機的數(shù)值模擬，大多數(shù)的學者僅僅考慮了葉片或塔架的強度問題，很少涉及風力發(fā)電機整機周圍流場的變化特征.為了能夠更加合理的研究風力發(fā)電機的運行狀態(tài)，本文利用流固耦合方法對風力發(fā)電機的整機結構進行模擬研究，對風力發(fā)電機尾跡及其葉片旋轉域周圍流場進行了分析，為風力發(fā)電機的設計與檢驗提供一定的參考.

1 流固耦合模型

1.1 幾何模型的建立

風力發(fā)電機結構十分復雜，尤其葉片部分更加不規(guī)則，但是風機葉片與風力發(fā)電機周圍流場特性密切相關，因此不能對葉片過于簡化.本文采用UG專業(yè)畫圖軟件，選取翼型為NACA4412型，翼型坐標如圖1所示.通過Wilson設計法與坐標轉換得到三維坐標點，擬合離散點得到多個葉片空間截面，對截面進行蒙皮操作得到完整的風力發(fā)電機葉片模型，最后將其導入到ANSYS Workbench中裝配機艙和塔架獲得完整的風力發(fā)電機三維模型.由于主要研究風機周圍流場特性，對機艙和塔架進行了一定的簡化.額定功率為200 KW的風力發(fā)電機模型各項參數(shù)如表1所示.風力發(fā)電機三維幾何模型如圖2所示.

表1 風力發(fā)電機參數(shù)

圖1 NACA4412翼型坐標圖2 風力發(fā)電機模型

風力發(fā)電機在運行過程中其葉片是轉動的，葉片周圍的空氣在葉片的擾動下也是旋轉的，因此風力發(fā)電機的流場由兩部分組成.一部分是代表葉片周圍有旋轉速度空氣的旋轉域，另一部分是包括整個風力發(fā)電機和旋轉域的外流域.旋轉域必須包含所有的葉片以及一部分的轉軸，旋轉域模型如圖3所示.為了消除尺寸的影響外流域必須足夠大，但風場的尺寸越大，其后的計算量就會非常巨大，從而給計算機帶來巨大的壓力.綜合考慮之下，外流域為一個長方體，長度為200 m，寬度為100 m，高度為75 m，風力發(fā)電機位于外流域流場的中心，距離入口處50 m.流場整體模型如圖4所示.

圖3 旋轉域模型圖4 流場整體模型

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

利用ANSYS Workbench中的Mesh模塊對流場和結構進行網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格處理.風力發(fā)電機結構并不規(guī)則，不宜使用掃掠的六面體方法進行劃分，本次模擬選用四面體網(wǎng)格進行劃分，在風力發(fā)電機與流場的接觸面進行了加密處理，加密處網(wǎng)格如圖5所示.其中，流場的網(wǎng)格單元數(shù)為2 499 275個，節(jié)點數(shù)為496 149個，風力發(fā)電機結構劃分網(wǎng)格單元數(shù)為388 194個，節(jié)點數(shù)為568 085個.利用Mesh metrics功能查看網(wǎng)格質量，其平均值為0.806 43，表明網(wǎng)格質量較好.

2 流固耦合分析

2.1 邊界條件及求解條件設置

為旋轉域和靜止域賦予流場的運動參數(shù)，旋轉速度為55 r/min，湍流強度選為Shear Stress Transport，所有的流體材料為25 ℃的空氣，參考壓力設置為1個標準大氣壓.

入口邊界條件設置為風速14 m/s，風機表面的邊界條件設置為Wall，且無滑移、光滑，其余的邊界條件設置為Opening(開放式邊界條件)，此種邊界條件處空氣既可以流入也可以流出.邊界條件設置情況如圖6所示.在求解器設置中設置為High Resolution，湍流數(shù)值設置為First order，考慮到模型的尺寸以及網(wǎng)格數(shù)量巨大，設置最大迭代步數(shù)為5000步，設置收斂殘差目標值為1E-4.

2.2 流場分析

速度流線圖如圖7所示，從入口流經(jīng)旋轉域的空氣在核心區(qū)產(chǎn)生了旋轉，并且其核心旋轉區(qū)域周圍的空氣有向四周擴散的趨勢.壓力云圖如圖8所示，可以看出在風輪及塔架迎風面壓力為正，在風力發(fā)電機后方出現(xiàn)了負壓區(qū)，隨著距離風力機越遠，壓力逐漸由負壓轉為正壓.速度云圖如圖9所示，空氣在流經(jīng)旋轉域時，由于受到風力發(fā)電機葉片的旋轉的影響，葉尖處部分流體的速度相對于入口的均勻流速有了較大的增強，但在風輪、機艙以及塔架后方出現(xiàn)了風速為零的區(qū)域.速度矢量圖如圖10所示，部分流經(jīng)風力機的空氣的速度方向發(fā)生了改變，甚至出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，這正是塔影效應的影響.

圖7 速度流線圖圖8 壓力云圖圖9 速度云圖圖10 速度矢量圖

距離風力發(fā)電機后方為20 m、40 m、60 m、80 m、120 m、150 m的湍動能云圖及曲線圖如圖11、圖12所示.從圖11云圖中可以看出空氣在流經(jīng)風力發(fā)電機之后其湍動能的擴散趨勢，距離越遠，湍動能擴散的面積就越大.在每個截面的中心處提取一條直線，以風力發(fā)電機旋轉軸前端為坐標原點，直線最底端為地面，其坐標點為Z=-25 m，直線最上端為流場的最上端，其坐標為Z=50 m，六個截面取出六條直線，如圖11所示，提取每條線上的湍動能結果，整合為一個曲線圖.由圖12看出每條曲線的大體樣式如同一個“M”型.從Z=-25 m處往上，湍動能逐漸變大，在第一條曲線即X=20處，第一個拐點處即Z=-10 m處，此處進入了葉片旋轉域的下部邊緣區(qū)域，隨著位置逐漸向風輪的中心點處靠近，湍動能又逐漸變小，到達Z=0 m處，即為對應風輪的中心位置，隨著高度繼續(xù)增加，湍動能又隨之增加，到達Z=10 m處，即對應風輪區(qū)域的上部邊緣，隨著距離旋轉域的豎向距離的變大，湍動能越來越小.從一條曲線的趨勢可以看出，風輪葉片的旋轉增大了氣流的湍流度，在旋轉域中，風輪的中心點處湍動能最小，隨著向周圍擴散，湍動能越來越大，脫離旋轉域后湍動能又變得越來越小，趨近于0.總體看來，隨著距離風力發(fā)電機越遠，其峰值的湍動能就越小，表明越遠處湍動能越減小，最終趨向于0.從拐點出現(xiàn)的位置來看，其拐點距離旋轉域上下邊緣處的距離越來越大，這表明距離風力發(fā)電機越遠，湍動能擴散的面積越大，這是由于尾流中的動能及湍動能與周圍低速的氣流進行能量的交換并相交融而導致的.由此可知，在布置風力發(fā)電機組時，為了不使兩臺風力發(fā)電機由于尾流的影響而導致其性能降低，以其葉片的長度L為單位，兩臺風機距離一般不能小于15 L.

圖11 流場各截面豎向湍動能分布云圖圖12 湍動能分布曲線圖

以風力發(fā)電機旋轉軸處為原點，分別在機艙上方2 m、3 m、4 m處觀察其尾流速度的變化情況，提取其所在位置的水平方向和豎直方向速度，結果繪成如圖13及圖14所示曲線.由圖13水平方向速度曲線圖可以看出，隨著距離風力發(fā)電機越遠，尾流速度大小波動越趨于平穩(wěn)，并且趨向于入口流速，而在旋轉域后10 m至30 m處，風速出現(xiàn)了波動.由于葉片以及機艙對風速產(chǎn)生塔影效應的影響，一部分流體速度方向發(fā)生了改變，甚至出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，使得水平方向上速度減小，隨著距離風力發(fā)電機的位置越來越遠，這種波動就隨之平穩(wěn)，且速度越來越趨向于入口流速.由圖14豎直方向速度曲線圖可以看出，在10 m到15 m處，產(chǎn)生了豎直方向的分速度，這表明在機艙附近尾流有了向下的趨勢，但隨著距離的增加，豎直方向的速度逐漸減小直至消失.

圖13 水平方向速度曲線圖圖14 豎直方向速度曲線圖

旋轉域風速矢量圖如圖15所示，在葉片旋轉過程中使得旋轉域內的空氣同時發(fā)生了旋轉，在氣流與葉片接觸面處，由于翼型的影響，使其速度方向發(fā)生了改變，產(chǎn)生了除水平方向外的速度分量.以風輪中心旋轉軸處為原點，在旋轉域水平方向上提取速度結果如圖16所示.從葉片外緣至旋轉軸中心，其速度基本呈現(xiàn)出一直變小的趨勢，在中心位置處由于輪轂的影響產(chǎn)生了一些波動.旋轉域風壓及葉片風壓如圖17、圖18所示，在葉片的上邊緣所受的風壓最大，而下邊緣形成了負壓區(qū)，隨著距離葉片根部越近，其壓力值也逐漸變小，正是這種正壓與負壓的壓力差使得風力發(fā)電機葉片產(chǎn)生了對旋轉軸的扭矩，提供了葉片旋轉所需要的動力.

3 結 論

(1)均勻流體在經(jīng)過葉片旋轉區(qū)域后在其核心區(qū)出現(xiàn)了旋轉現(xiàn)象，并隨著距離的增加，速度及湍流度都有向四周擴散的趨勢.由于塔影效應的影響，在風力發(fā)電機機艙及塔架后方出現(xiàn)了負壓區(qū).

(2)在風力發(fā)電機尾跡中，其豎向的湍流度分布大致為一個“M”型，隨著距離風力發(fā)電機越遠，其湍流度峰值越小，越趨于平緩，在布置風力發(fā)電機組時，建議兩臺風機的距離不小于15倍的葉片長度.

(3)在葉片旋轉過程中使得旋轉域內的空氣同時發(fā)生了旋轉，且由于葉片翼型的不規(guī)則性使得流體速度產(chǎn)生了各個方向的分量，從葉片根部旋轉軸到葉片前端尖部風速及風壓都是呈現(xiàn)出不斷擴大的趨勢，在葉片的上下面形成的氣壓差提供了葉片旋轉的動力.