雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)流場特性影響的數(shù)值模擬

代元軍， 翟明成， 賀 凱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院， 上海 201306；3.新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830091)

風(fēng)能作為一種可再生能源，來源廣泛、環(huán)保無污染。利用好風(fēng)能可以減少由二氧化碳排放帶來的溫室效應(yīng)及不可再生能源的消耗，水平軸風(fēng)力機(jī)是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要手段[1]。在水平軸風(fēng)力機(jī)研究方面：張建平等[2]利用數(shù)值模擬的方法，研究了槳距角對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)力特性的影響；李歡等[3]對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了流固耦合的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)離心力載荷對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)特性影響較大；張志陽等[4]研究了風(fēng)力機(jī)尾跡流場，有利于風(fēng)場中風(fēng)力機(jī)的排列。在風(fēng)電技術(shù)的研究過程中，如何提高風(fēng)力機(jī)的輸出性能一直是研究的重點(diǎn)。隨著對(duì)風(fēng)力機(jī)研究的深入，許多專家學(xué)者對(duì)葉片的改型開展了模擬仿真的研究來驗(yàn)證其性能的優(yōu)劣。Ali等[5]設(shè)計(jì)出一種融合式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)融合式葉尖結(jié)構(gòu)可以增大風(fēng)力機(jī)的輸出功率，并減弱葉尖渦的產(chǎn)生從而減小能量損失；張立茹等[6-7]對(duì)葉尖呈S形的風(fēng)力機(jī)流場進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)S形葉尖結(jié)構(gòu)可以使葉片吸收更多的風(fēng)能，增大風(fēng)能利用系數(shù)，且減小了葉尖渦的強(qiáng)度與葉片的噪聲；胡丹梅等[8]設(shè)計(jì)出一種融合式小翼的風(fēng)力機(jī)，基于流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行了仿真模擬，發(fā)現(xiàn)融合式小翼有利于提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率，主要影響因素為融合小翼的傾斜角度；任常在等[9]、代元軍等[10-11]設(shè)計(jì)出一種葉尖V形結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)，對(duì)其流場和聲場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)V形葉尖結(jié)構(gòu)可以減小葉尖渦的產(chǎn)生且具有降噪的特點(diǎn)，其主要影響因素為V形葉尖的高度；陳洪勝等[12]設(shè)計(jì)出一種后掠型葉片，通過數(shù)值模擬的手段發(fā)現(xiàn)其徑向流動(dòng)的規(guī)律。

目前，未改型葉片的傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)已經(jīng)開展了大量的研究與實(shí)驗(yàn)，急需尋找出更加優(yōu)化的葉片結(jié)構(gòu)，因此許多研究者已經(jīng)開展對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片改型的研究。對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖改型思路來自波音737MAX機(jī)翼的雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)，波音737MAX雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)機(jī)翼是在融合式結(jié)構(gòu)優(yōu)化來的，通過流體動(dòng)力學(xué)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)可以減小風(fēng)的阻力，提高12%左右的燃油利用效率，降低2%的燃油損耗，同時(shí)也提高了飛機(jī)的續(xù)航能力[13]。以此為改型設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)3種不同葉尖開叉夾角的雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真研究，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)未改型與雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為風(fēng)力機(jī)葉片改型和提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1 風(fēng)力機(jī)模型

實(shí)驗(yàn)采用100 W小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，裝機(jī)葉片數(shù)為三葉片，額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為625 r/min，葉片參數(shù)如表1所示，風(fēng)力機(jī)葉片三維圖如圖1所示。

雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)包括上叉與下叉，葉尖結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，葉尖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 被測葉片參數(shù)Table 1 Parameters of measured blade

圖1 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)模型Fig.1 Model of double fork tip structure wind turbine

a為葉尖長度；h為葉尖高度；θ為葉尖開叉夾角圖2 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)Fig.2 Double fork tip structure

表2 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Dimensions of double fork blade tip structure

2 風(fēng)力機(jī)網(wǎng)格劃分

將風(fēng)力機(jī)三維UG模型，導(dǎo)入ICEM CFD中對(duì)其網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的手段對(duì)3種葉尖結(jié)構(gòu)不同風(fēng)力機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用六面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，該網(wǎng)格可以很好地貼合模型，網(wǎng)格數(shù)量相比于非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格數(shù)少，計(jì)算的時(shí)候速度快，更加易于收斂。為了很好地模擬實(shí)際情況網(wǎng)格劃分分為3個(gè)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域、非旋轉(zhuǎn)區(qū)域、風(fēng)力機(jī)區(qū)域。未改型θ=0°風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)為197×104，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)為212×104，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)為214×104，將網(wǎng)格的mesh文件導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行模擬仿真。

3 Fluent求解設(shè)置

控制方程選用不可壓縮流動(dòng)的三維定常雷諾平均Navier-Stokes方程，其矢量形式為

(1)

式(1)中：Δ為拉普拉斯算子；ρ為流體密度，kg/m3；P為壓力，N；u、v、w為流體在t時(shí)刻，在點(diǎn)(x，y，z)處的速度分量，m/s；X，Y，Z為外力的分量，N；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

湍流模型選擇Realizablek-ε模型，其優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)包括旋轉(zhuǎn)、壓力梯度下的邊界層、分離, 循環(huán)流動(dòng)提供較好性能，每步迭代計(jì)算量較小。壓力速度耦合方式選擇SIMPLEC算法即壓力耦合方程組的半隱式算法。定義入口風(fēng)速為10 m/s，速度出口選擇為自由出流。實(shí)際流動(dòng)介質(zhì)為空氣，風(fēng)力機(jī)的葉尖速比λ=4.25，其轉(zhuǎn)速為625 r/min，采用interface來處理旋轉(zhuǎn)區(qū)域與非旋轉(zhuǎn)區(qū)域的交界面，該定常旋轉(zhuǎn)尾跡的瞬態(tài)時(shí)間步長設(shè)定為0.000 22 s，即葉輪每旋轉(zhuǎn)1°所用的時(shí)間為0.000 22 s。為了獲得穩(wěn)定及有效的尾跡流動(dòng)特征和規(guī)律，連續(xù)性殘差曲線的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為1×10-5量級(jí)。風(fēng)力機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)10圈后，流場區(qū)域穩(wěn)定，可以提取數(shù)據(jù)，觀察其壓力、速度、渦量的變化，再利用后處理軟件Tecplot繪制云圖，觀察對(duì)比各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

4 風(fēng)力機(jī)葉尖壓力分析

由于對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖做出了改型設(shè)計(jì)，分析風(fēng)力機(jī)葉尖結(jié)構(gòu)變化對(duì)風(fēng)力機(jī)流場特性的影響尤為重要，圖3所示為未改型與雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉片在Z=0.95R(R為風(fēng)輪半徑)截面下的壓力等值線云圖。觀察圖3發(fā)現(xiàn)來流對(duì)葉尖的前緣作用明顯，正壓與負(fù)壓的梯度變化明顯。圖3(b)(θ=30°)和圖3(c)(θ=60°)雙叉結(jié)構(gòu)中A2為上叉，A1為下叉。表3中雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°和θ=60°的風(fēng)力機(jī)葉尖壓差為上叉正壓與下叉負(fù)壓的差值。圖3(a)未改型θ=0°葉尖壓差值為3 658 Pa，圖3(b)雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°葉片壓差值為2 915 Pa，圖3(c)雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°葉片壓差值為2 891 Pa，顯然未改型θ=0°葉尖壓差>θ=30°的葉尖壓差>θ=60°的葉尖壓差，葉尖壓力差變小，使得葉尖渦量減小，從而降低了葉尖處的氣動(dòng)噪聲。

雙叉式結(jié)構(gòu)葉片在葉尖處會(huì)形成兩個(gè)壓力差面，由表3可知，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°的葉片上叉壓差為3 529 Pa，下叉壓差為2 719 Pa，下叉壓差僅為上叉壓差的77.05%；雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°的葉片上叉壓差為3 238 Pa，下叉壓差為 2 636 Pa，下叉壓差僅為上叉壓差的81.41%，顯然雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)上叉對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率起主導(dǎo)作用。由于雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的兩個(gè)葉尖上叉和下叉，使得每個(gè)叉的壓力差都比未改型的低，所以上叉和下叉產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲小于未改型，但是上叉和下叉壓力差之和大于未改型，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)總輸出功率是增加的。在雙叉結(jié)構(gòu)間會(huì)形成一個(gè)藍(lán)色負(fù)壓區(qū)域，在同一葉尖高度Z=0.96R的截面下，θ越小，負(fù)壓區(qū)面積越大。

5 風(fēng)力機(jī)葉尖流速分析

圖4所示為雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的葉片在Z=0.95R截面下的速度流線云圖，由圖4可以看出葉尖區(qū)域在改型前后氣流的流動(dòng)情況。在上叉區(qū)域來流在翼型最厚處被分開向兩端流動(dòng)，呈現(xiàn)遞增的梯度變化。在上叉與下叉尾跡區(qū)域會(huì)形成一個(gè)高流速區(qū)，上叉尾跡區(qū)域面積小于下叉尾跡區(qū)域，由伯努力定理表明流速大的區(qū)域，壓力小，與圖3壓力等值線云圖相符合。θ=0°葉尖處最大線速度(55.15 m/s)>θ=30°葉尖處最大線速度(53.51 m/s)>θ=60°葉尖處最大線速度(51.98 m/s)。雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°的葉片在雙叉間形成了漩渦，且雙叉中心位置速度為19.29 m/s。雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°的葉片，雙叉中心位置速度為15.77 m/s，顯然開叉角度越小越有利于流速的增大。

圖3 風(fēng)力機(jī)葉片Z=0.95R截面下的壓力等值線云圖Fig.3 Pressure contour cloud diagram of wind turbine blade under section Z=0.95R

表3 雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)葉尖處壓力最值Table 3 The highest pressure at the blade tip of a double-fork blade tip structure wind turbine

圖4 風(fēng)力機(jī)葉片Z=0.95R截面下的速度流線圖Fig.4 Velocity flow diagram of wind turbine blade under section Z=0.95R

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了保證數(shù)值模擬的合理性和準(zhǔn)確性，在新疆工程學(xué)院能源高效利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備風(fēng)洞和熱線風(fēng)速儀來驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)尾跡流場速度的變化。圖5所示為直流低速風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)在風(fēng)洞開口段進(jìn)行，其最大風(fēng)速為15 m/s，尺寸為3 m×3 m。風(fēng)速儀為熱線式風(fēng)速儀，其工作條件為：測量風(fēng)速量程0～30 m/s，最小分度值0.01 m/s。工作原理為流場中風(fēng)速產(chǎn)生變化時(shí)，通過加熱電流的細(xì)金屬絲熱量隨之改變，依照電信號(hào)的變化來測量風(fēng)速。

將風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)平面安裝在距離風(fēng)洞開口段平面0.5 m處，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心正對(duì)著風(fēng)洞開口段平面的中心，電子負(fù)載儀調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在 10 m/s 的額定風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為625 r/min。從風(fēng)輪中心到葉尖分成10段，取11個(gè)測量點(diǎn)利用熱線風(fēng)速儀來測量風(fēng)速。風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域三維坐標(biāo)定義如圖6所示。旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，通過坐標(biāo)原點(diǎn)O且平行于來流的軸為Y軸，正方向與來流方向相反；通過坐標(biāo)原點(diǎn)垂直于地面的為Z軸，正方向?yàn)樨Q直向上；通過坐標(biāo)原點(diǎn)且與來流垂直的為X軸，平行于地面且遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)方向?yàn)槠湔较?。將熱線風(fēng)速儀放置距風(fēng)力機(jī)Y=-10 cm處，測點(diǎn)布置如圖7所示，從原點(diǎn)O沿X軸正方向測量風(fēng)力機(jī)近尾跡流場的軸向速度、徑向速度和切向速度。

圖5 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)拍圖Fig.5 Real picture of the wind tunnel experiment

圖6 風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)系圖Fig.6 Wind turbine coordinate system diagram

圖7 熱線風(fēng)速儀測點(diǎn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of hot wire anemometer measuring points

圖8(a)所示為風(fēng)力機(jī)軸向速度仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。從實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果可以看出，風(fēng)力機(jī)尾跡流場的風(fēng)速有所衰減，是因?yàn)閬砹鲙?dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在每個(gè)測點(diǎn)雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的軸向速度大于未改型風(fēng)力機(jī)的軸向速度。在風(fēng)力機(jī)流場中軸向速度呈線性變化，未改型與雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的軸向速度從風(fēng)輪中心向葉尖逐漸增大，由于葉尖結(jié)構(gòu)改型，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的軸向速度比未改型風(fēng)力機(jī)增長的更快，葉尖處的軸向速度更大。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相比于數(shù)值模擬偏小，但是其發(fā)展的趨勢一致，均呈線性遞增的趨勢。

r為從風(fēng)輪中心到各個(gè)采集點(diǎn)的距離；R為風(fēng)輪半徑圖8 風(fēng)力機(jī)軸向、切向、徑向速度與風(fēng)力機(jī)速度仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of wind turbine velocity and axial, tangential, radial velocity simulation and experiment

圖8(b)所示為風(fēng)力機(jī)的切向速度仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比?？梢钥闯?，風(fēng)力機(jī)的切向速度不是呈線性變化的，而是波動(dòng)變化的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)幅度小于數(shù)值模擬結(jié)果。由于雙叉式結(jié)構(gòu)，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)與未改型風(fēng)力機(jī)在葉尖處切向速度變化趨勢不一樣，雙叉式結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)在葉尖處切向速度減弱，而未改型風(fēng)力機(jī)在葉尖處切向速度呈遞增趨勢。

圖8(c)所示為風(fēng)力機(jī)徑向速度仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。可以看出，風(fēng)力機(jī)徑向速度呈波動(dòng)變化，與風(fēng)力機(jī)切向速度變化趨勢基本相似，比切向速度變化幅度更小。從圖8(b)、圖8(c)可以看出，切向速度和徑向速度的幅值小于軸向速度。

將風(fēng)力機(jī)的軸向速度、切向速度和徑向速度三維合成，圖8(d)即為風(fēng)力機(jī)尾跡速度的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。整體來看，風(fēng)力機(jī)尾跡的速度變化從風(fēng)輪中心到葉尖呈遞增的變化，實(shí)驗(yàn)值小于數(shù)值模擬結(jié)果，但實(shí)驗(yàn)值增長速度快。雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)尾跡流場速度大于未改型風(fēng)力機(jī)尾跡流場速度，在葉尖處θ=60°雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)速度大于θ=30°雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)速度，顯然雙叉式結(jié)構(gòu)減弱了風(fēng)力機(jī)尾跡流場速度的衰減。圖8(a)與圖8(d)速度變化趨勢基本一致，顯然軸向速度對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡流場影響至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)力機(jī)尾跡流場會(huì)受塔架振動(dòng)的影響，數(shù)值模擬僅對(duì)風(fēng)輪的尾跡流場進(jìn)行了計(jì)算，未考慮風(fēng)力機(jī)塔架對(duì)尾跡流場的影響，室溫環(huán)境對(duì)熱線風(fēng)速儀金屬絲靈敏度的影響也會(huì)導(dǎo)致與數(shù)值模擬結(jié)果有偏差。

7 結(jié)論

(1)在Z=0.95R截面下，相對(duì)于未改型風(fēng)力機(jī)，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°風(fēng)力機(jī)葉片壓力差降低了20.31%，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°風(fēng)力機(jī)葉片壓力差降低了20.96%。葉尖壓力差變小，使得葉尖渦量減小，從而降低了葉尖處的氣動(dòng)噪聲。

(2)雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的上叉和下叉壓力差均小于未改型風(fēng)力機(jī)，但是兩個(gè)叉的壓力差和大于未改型風(fēng)力機(jī)，所以增大了雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的總輸出功率。

(3)在Z=0.95R截面下，相對(duì)于未改型風(fēng)力機(jī)，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=30°風(fēng)力機(jī)葉片葉尖線速度降低了2.97%，雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)θ=60°風(fēng)力機(jī)葉片葉尖線速度降低了5.75%。與壓力分布情況一致，流速大的區(qū)域壓力小。

(4)雙叉式葉尖結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)尾跡流場的速度從風(fēng)輪中心向葉尖逐漸增大，與軸向速度變化趨勢相似，數(shù)值模擬結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)值。