葉尖開孔對(duì)風(fēng)力機(jī)流場的影響研究

楊 瑞, 溫威月, 周楠楠, 楊 偉, 顧恩鑫

(1. 蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.甘肅省風(fēng)力機(jī)工程技術(shù)中心, 甘肅 蘭州 730050)

風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能直接決定著能量提取效率,葉尖作為氣動(dòng)力產(chǎn)生的主要區(qū)域,起著至關(guān)重要的作用.葉尖渦的產(chǎn)生不僅會(huì)減小風(fēng)輪功率輸出,降低風(fēng)電場的發(fā)電量,尾流效應(yīng)也必將增加下游風(fēng)力機(jī)葉片的非定常載荷,縮短機(jī)組使用壽命,還會(huì)改變?nèi)~片的氣固耦合特性,甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)噪聲.為改善或解決上述問題,本文提出了多種主動(dòng)控制方案和被動(dòng)控制方案來改變?nèi)~尖周圍的空氣流動(dòng),降低渦的強(qiáng)度.

肖京平等[1]在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片尾流的PIV測量,闡明葉尖渦的流動(dòng)機(jī)理.Yang等[2]獲取下游尾流區(qū)內(nèi)的速度場相關(guān)數(shù)據(jù),并對(duì)葉尖渦的氣動(dòng)特性進(jìn)行更加深入的研究.吳江海等[3]研究2 MW風(fēng)力機(jī)直葉片、橢圓葉尖、加裝小翼等不同的葉尖形狀,采用CFD方法分析不同葉尖形狀對(duì)葉尖渦結(jié)構(gòu)、不同截面壓力分布及載荷特性的影響.Mühle等[4]對(duì)兩種不同葉尖結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得到小翼對(duì)風(fēng)力機(jī)尾渦相互作用和破裂的影響.冬雪青等[5]對(duì)風(fēng)力機(jī)加裝葉尖小翼后流場和葉尖渦的影響進(jìn)行研究.王海鵬等[6]利用渦發(fā)生器對(duì)NREL S809翼型進(jìn)行流動(dòng)控制,采用CFD方法研究有渦發(fā)生器和無渦發(fā)生器時(shí)S809翼型氣動(dòng)性能.馬興宇等[7]在葉尖區(qū)設(shè)計(jì)不同傾角的漩渦擴(kuò)散器來控制葉尖渦,對(duì)葉尖渦強(qiáng)度隨風(fēng)輪葉尖速比的變化規(guī)律進(jìn)行研究.這些被動(dòng)控制技術(shù)造成風(fēng)輪質(zhì)量的增加會(huì)加速葉片的疲勞,并增加阻力.

許多學(xué)者致力于在直升機(jī)翼尖附近吹吸氣的研究,提出在機(jī)翼尖端開孔的方式并取得了良好的研究成果.Han和Leishman[8]在直升機(jī)旋翼尖部設(shè)計(jì)由旋翼前緣至翼尖的4個(gè)環(huán)形通氣孔,研究展向吹氣對(duì)機(jī)翼翼尖渦結(jié)構(gòu)的影響.Margaris等[9]研究了機(jī)翼翼尖形狀、通氣孔位置等參數(shù)對(duì)吹氣效果的影響.楊勝兵[10]在葉片葉尖段設(shè)計(jì)由葉尖端面通向輪轂的環(huán)形孔,對(duì)比研究其氣動(dòng)性能.龔志斌等[11]研究翼尖開孔吹氣對(duì)翼尖渦氣動(dòng)特性的影響.韓彥軍等[12]研究翼型尾緣射流控制方式,分析翼型在不同孔寬度、入射速度和入射角度時(shí)的氣動(dòng)性能.以上研究基于翼型和翼段,很難真實(shí)反映直升機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性.高翔[13]等研究在葉尖加入射流對(duì)葉尖流場分布的影響,通過改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速獲取原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性.朱海天等[14]設(shè)計(jì)斜出口合成射流激勵(lì)器,分析射流孔數(shù)量對(duì)控制葉片流動(dòng)分離的影響規(guī)律.郝文星等[15]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬研究,分析射流孔數(shù)量對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能及渦量場結(jié)構(gòu)的影響.

本文通過風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)3個(gè)由前緣至葉尖端面的環(huán)形通氣孔改變?nèi)~尖處的流場,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析原模型與葉尖開孔模型葉尖處上下表面的壓力分布情況、葉尖渦的影響及控制、尾流流場特性等.

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

采用CFD方法,以NREL Phase VI葉片的1/8縮比模型為對(duì)象,在葉片靠近葉尖部位設(shè)計(jì)由前緣至展向端面的3個(gè)環(huán)形通氣圓孔.風(fēng)輪主要參數(shù)如表1所列.

表1 風(fēng)輪參數(shù)

開孔入口設(shè)置在葉片靠近葉尖前緣處,出口設(shè)置在葉尖端面弦線附近,直徑為5%c,相鄰兩孔間距為10%c,中間孔位于葉尖端面氣動(dòng)中心處.葉尖開孔模型如圖1所示.

圖1 葉尖開孔模型

圍繞計(jì)算域建立圓柱體靜止域和旋轉(zhuǎn)域,內(nèi)域直徑為1.2D,使用旋轉(zhuǎn)參考系.外域直徑為5D,風(fēng)輪距入口為5D,距出口為10D,使用慣性參考系.計(jì)算域示意圖如圖2所示.

圖2 計(jì)算域示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來解析流場,圖3為開孔構(gòu)型葉尖附近截面網(wǎng)格分布.

對(duì)葉片氣動(dòng)特性造成極大影響的因素包括：葉片尾緣附近有各種尺度的尾跡渦流動(dòng),前后緣附近的壓力梯度、速度、流線方向等變化比較大；葉尖處和葉根處有葉尖渦和葉根渦的脫落；孔徑微小需要精確捕捉孔內(nèi)流動(dòng).因此為了更加精確模擬,必須對(duì)葉片前緣、尾緣以及葉尖處開孔區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.

在額定工況下比較各網(wǎng)格數(shù)的模擬風(fēng)輪扭矩,當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到1 300萬時(shí),網(wǎng)格數(shù)的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果無明顯影響,此時(shí),認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果滿足網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證.網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證如表2所列.

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 計(jì)算方法與正交模擬試驗(yàn)

2.1 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件

脫體渦模擬(DES)為一種結(jié)合雷諾平均方法(RANS)和大渦模擬(LES)優(yōu)點(diǎn)的混合方法,其在近壁面區(qū)和主流區(qū)分別采用RANS和LES.該方法具有計(jì)算量小、精確度高的優(yōu)點(diǎn),專門用于風(fēng)力機(jī)的瞬態(tài)流動(dòng)分析.DES方法在尾流預(yù)測方面可以得到更加細(xì)致的流動(dòng)結(jié)構(gòu),故選取的湍流模型為基于SSTk-ω的IDDES模型[16-17].壓力和速度采用SIMPLEC算法來耦合,離散方式中的壓力采用Standard格式,對(duì)流項(xiàng)傳遞格式皆采用二階迎風(fēng)格式(second order upwind)離散,經(jīng)過2 160個(gè)時(shí)間步迭代后計(jì)算結(jié)果收斂.

邊界條件：采用速度入口和壓力出口,表面無滑移.

模擬狀態(tài)：來流風(fēng)速為12 m/s,葉尖速比為4.91,風(fēng)輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為900 r/min,繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).

2.2 正交模擬試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法,它根據(jù)正交性從所有的組合試驗(yàn)中挑選出具有代表性的組合,可利用這一個(gè)特性來通過最少的試驗(yàn)次數(shù)尋找最佳的水平組合,大大地減小計(jì)算工作量.

葉尖開孔時(shí)孔的直徑、位置和個(gè)數(shù)3個(gè)因素可能對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能產(chǎn)生不同的效果.故在確定孔間距為10%c時(shí)采用正交模擬試驗(yàn)來確定葉尖孔布置的最佳組合方案.正交設(shè)計(jì)如表3所列.O表示孔的直徑,在正交模擬中用因子1表示,分別取值2.5%c、5%c和8%c.P表示孔的位置,在正交模擬中用因子2表示,分別取值10%c、20%c和30%c.Q表示孔的個(gè)數(shù),在正交模擬中用因子3表示,分別取值1、2和3.

表3 正交設(shè)計(jì)表

每種組合下的葉尖開孔風(fēng)力機(jī)扭矩如圖4所示.序號(hào)為5的組合,即孔的直徑取5%c,孔的位置在20%c,孔個(gè)數(shù)為3的情況下,風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能最好.

圖4 正交模擬結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 葉尖開孔對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片功率的影響

風(fēng)力機(jī)功率主要反映風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的優(yōu)劣,為此本文計(jì)算轉(zhuǎn)速n從600 r/min到1 700 r/min的工況下原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)的功率P，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速小于900 r/min時(shí),葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)和原風(fēng)力機(jī)功率都隨著轉(zhuǎn)速增大而增大,葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)相較于原風(fēng)力機(jī)功率略微增大,即這一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)葉尖處開孔對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能影響不大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí),葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)和原風(fēng)力機(jī)功率都達(dá)到最大值,葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)較原風(fēng)力機(jī)功率提升了4.6%；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于900 r/min時(shí),葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)和原風(fēng)力機(jī)功率都隨著轉(zhuǎn)速增大而減小,但葉尖處開孔風(fēng)力機(jī)的功率明顯大于原風(fēng)力機(jī)功率.總之,開孔模型風(fēng)力機(jī)功率在轉(zhuǎn)速從600 r/min到1 700 r/min內(nèi)均有所增益，但在高轉(zhuǎn)速下功率增益效果更佳.

圖5 原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3.2 葉片表面與葉尖處壓力分布

為了深入研究葉尖部分吸力面和壓力面的壓力變化,在由葉根開始沿展向75%葉高處建立截面,對(duì)比開孔模型和原模型葉片與葉尖壓力分布情況.原模型和開孔模型在風(fēng)速為12 m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，葉片與葉尖(75%～100%葉高)壓力面和吸力面上的壓力分布如圖6和圖7所示.

由圖6可知,當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí),在葉片與葉尖壓力面,原模型和開孔模型的壓力分布基本相似,從葉尖到50%葉展范圍內(nèi)的壓力較高,但在葉片前緣處,開孔模型的高壓區(qū)域略大于原模型的.由圖7可知，在葉片與葉尖吸力面,從葉尖到75%葉展的范圍內(nèi),靠近葉片前緣出現(xiàn)最低壓力區(qū).離心力使得氣流沿著展向從葉根向葉尖加速流動(dòng),葉片表面低壓范圍開始擴(kuò)大，但開孔模型的低壓區(qū)域明顯大于原模型的.

圖6 原模型和開孔模型葉片與葉尖壓力面壓力分布

圖7 原模型和開孔模型葉片與葉尖吸力面壓力分布

低壓區(qū)主要集中在葉片吸力面靠近葉尖的區(qū)域,高壓區(qū)主要集中在壓力面靠近前緣的區(qū)域.葉尖開孔后,孔內(nèi)氣流沿葉片展向有分量,阻礙葉尖附近的高壓氣流繞過葉尖從壓力面流向吸力面,抑制葉尖處三維流動(dòng),改善葉尖區(qū)和風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)的流場特性,從而改變?nèi)~片上下表面的壓力分布,增大壓差,進(jìn)而提高風(fēng)力機(jī)功率.

3.3 葉尖開孔對(duì)葉尖渦的影響

3.3.1總壓系數(shù)

葉尖渦是引起風(fēng)力機(jī)尾流的主要因素.近尾流區(qū)葉尖渦耗散風(fēng)力機(jī)的能量,降低風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能；而遠(yuǎn)尾流區(qū)葉尖渦的傳播給下游風(fēng)力機(jī)造成不利的影響.渦核是渦量的集中區(qū),能量損失大.渦核內(nèi)的靜壓低于來流的靜壓,渦核內(nèi)的靜壓越小,渦核強(qiáng)度越大,故一般可用葉尖下游渦核處的靜壓系數(shù)來反應(yīng)葉尖渦強(qiáng)度和葉尖開孔對(duì)葉尖渦的控制效果.靜壓系數(shù)Cps定義為

(1)

式中：Ps為靜壓,Pa；P∞為大氣壓,Pa；ρ為密度,kg/m3,ρ=1.225 kg/m3；V∞為來流風(fēng)速,m/s,本文設(shè)定V∞=12 m/s.

3.3.2葉尖渦強(qiáng)度的變化規(guī)律

在風(fēng)力機(jī)葉尖處開孔不僅能提高葉片功率,同時(shí)還能削弱葉尖渦的強(qiáng)度.為了將葉尖渦在尾流區(qū)中的發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比分析,在垂直于葉尖端面弦線,分別距離尾緣點(diǎn)x=0.5c、x=c、x=1.5c、x=2c、x=3c以及x=4c處建立控制面,獲取控制面內(nèi)的靜壓與靜壓系數(shù)等參數(shù)來反應(yīng)葉尖渦強(qiáng)度.其中，x表示葉尖尾緣點(diǎn)到控制面的距離.

文獻(xiàn)[1]中縮比風(fēng)力機(jī)的PIV實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)風(fēng)速為12 m/s,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為900 r/min,此處取低轉(zhuǎn)速600 r/min和高轉(zhuǎn)速1 200 r/min對(duì)比研究開孔對(duì)葉尖渦的影響.表4為不同轉(zhuǎn)速下開孔模型和原模型風(fēng)力機(jī)在葉尖下游不同截面內(nèi)的渦核靜壓與靜壓系數(shù).由數(shù)值模擬得到渦核靜壓,再利用式(1)計(jì)算出靜壓系數(shù).圖8為相應(yīng)截面上的渦核靜壓系數(shù)變化曲線.

由表4和圖8可知：原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)渦核靜壓系數(shù)都隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小,故葉尖渦的強(qiáng)度都隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大；下游渦強(qiáng)度都隨著轉(zhuǎn)速的增大而衰減變慢；同一轉(zhuǎn)速下,風(fēng)力機(jī)模型開孔后,葉尖下游不同截面內(nèi)的渦核靜壓系數(shù)明顯增大,旋渦強(qiáng)度降低.

表4 不同轉(zhuǎn)速下原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)在葉尖下游不同截面內(nèi)渦核靜壓與靜壓系數(shù)

圖8 不同轉(zhuǎn)速下葉尖渦渦核靜壓系數(shù)變化

3.3.3葉尖渦的控制效果

圖9為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)在不同截面內(nèi)葉尖區(qū)渦量等值線分布圖.從圖中可知：在葉片靠近葉尖前緣處渦強(qiáng)度較大,在下游區(qū)域很快減弱；開孔后下游尾渦區(qū)渦核強(qiáng)度降低,渦核變得松散,葉尖渦耗散效果顯著.

圖9 原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)葉尖區(qū)域渦量等值線分布

3.4 葉尖開孔對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流流場的影響

圖10～圖12為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在600、900、1 200 r/min下沿來流方向的尾流速度云圖.

由圖10可知,當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在600 r/min時(shí),原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)在葉尖處速度大小相近,但開孔模型葉尖速度擴(kuò)散略快,沿著y方向(來流方向)尾流的傳播距離略微變短.這主要是因?yàn)樯俨糠謿饬饔扇~尖處前緣進(jìn)入環(huán)形孔內(nèi),從葉尖端面出口沿展向方向噴射而出.由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低,所以環(huán)形通氣孔內(nèi)的氣流受到離心力的影響較小.但開孔模型從孔口噴射出的氣流使得動(dòng)能增加,動(dòng)能使尾流擴(kuò)散加快.在孔的出口處,由于射流對(duì)來流的抑制作用,使得尾流區(qū)內(nèi)軸向速度減小,尾流傳播距離變短.

圖10 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)沿來流方向尾流分布

由圖11可知,當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增大到900 r/min時(shí),原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)在葉尖處的速度較轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)皆變大，且速度沿y方向傳播距離變長，即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加會(huì)對(duì)葉尖渦的擴(kuò)散和傳播產(chǎn)生一定程度的影響.開孔模型風(fēng)力機(jī)在葉尖處速度較原模型沿著y方向變小,但擴(kuò)散加速,沿y方向尾流的傳播距離變短.由于風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加,環(huán)形通氣孔內(nèi)的氣流受離心力的影響,從葉尖端面孔口噴射而出的氣流在z方向(展向)產(chǎn)生加速度,對(duì)孔口周圍的流場產(chǎn)生影響,故開孔模型在葉尖處速度擴(kuò)散程度變大.因孔口噴射出的氣流對(duì)y方向來流的阻擋作用,使得葉尖處速度沿著y方向減小,傳播距離變短.

由圖12可知,隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增大到1 200 r/min,對(duì)葉尖處氣流的影響更大,但葉尖處速度的擴(kuò)散和傳播規(guī)律與轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)相同.在葉尖處開孔使得葉尖處速度擴(kuò)散加快,傳播距離變短,進(jìn)而對(duì)風(fēng)場下游風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能影響變小.

圖12 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)沿來流方向尾流分布

4 結(jié)論

本文通過對(duì)原模型和開孔模型風(fēng)力機(jī)在來流風(fēng)速為12 m/s并改變轉(zhuǎn)速的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析,得到以下結(jié)論：

1) 在低轉(zhuǎn)速下,開孔模型和原模型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能變化不大,在高轉(zhuǎn)速下開孔模型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能較原模型更好.

2) 原模型和開孔模型葉尖渦的強(qiáng)度皆隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大,下游渦強(qiáng)度皆隨著轉(zhuǎn)速的增大而衰減變慢.在相同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速條件下,葉尖處開孔可以有效地抑制葉尖三維效應(yīng)的影響.相較于原模型風(fēng)力機(jī),開孔模型風(fēng)力機(jī)葉尖下游不同截面內(nèi)的渦核靜壓系數(shù)明顯增大,旋渦強(qiáng)度降低,渦核變得松散,葉尖渦耗散效果顯著.

3) 相較于原模型風(fēng)力機(jī),開孔模型風(fēng)力機(jī)在葉尖處速度擴(kuò)散程度變大,葉尖處速度沿著y方向減小,傳播距離變短,進(jìn)而減小對(duì)風(fēng)場下游風(fēng)力機(jī)的影響,提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率.