風(fēng)沙環(huán)境對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響①

吳浩東, 王 龍, 李超群

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

中國的內(nèi)蒙古、甘肅和新疆等省份是陸地上風(fēng)力發(fā)電的主要省份,但是都存在較頻繁的風(fēng)沙天氣,沙塵會對風(fēng)力機(jī)翼型的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響。風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能一旦降低,就會造成整個(gè)工作機(jī)組效率大幅度降低,不利于風(fēng)能的轉(zhuǎn)化。因此,十分有必要對風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性進(jìn)行具體深入研究。

石亞麗等人利用計(jì)算流體力學(xué)方法探討偏航角和風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)特性之間的關(guān)系,并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果表明葉片各截面壓力系數(shù)和載荷系數(shù)與偏航角成正比,這與試驗(yàn)結(jié)果近似吻合。趙振宙采用多流管模型研究干擾氣流對Φ型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性的影響,結(jié)果表明干擾氣流可以很好地改善零攻角區(qū)域的氣動(dòng)流場,有助于提高風(fēng)力載荷變化的平穩(wěn)性。蔡新等通過在風(fēng)力機(jī)葉片上增加葉尖小翼,發(fā)現(xiàn)可以提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率和風(fēng)能利用率,并且大傾斜角小翼能有效防止葉尖繞流現(xiàn)象的產(chǎn)生。楊從新等研究多組低空急流結(jié)構(gòu)變化對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性的影響,結(jié)果表明隨著急流寬度和強(qiáng)度增加,葉片各截面壓力系數(shù)也增加,前緣變化更為顯著,法向力和切向力與之成正相關(guān)。李爽等模擬了DU91_W2_250型風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)失速過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨折合頻率以及振幅的增大,葉片的動(dòng)態(tài)失速愈加嚴(yán)重。劉利琴等基于葉素動(dòng)量理論,模擬NREL-5MW浮式風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性,結(jié)果表明葉片變槳故障會影響輸出功率。楊瑞等通過分析襟翼高度對風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性影響,揭示了在一定范圍內(nèi),增加襟翼高度有助于提升風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性,超出此范圍就會使其氣動(dòng)性急劇下降。

采用數(shù)值模擬的方法,研究來流風(fēng)速為10m/s的情況下,不同的體積分?jǐn)?shù)和不同的沙子粒徑大小對du93,s802和s803三種翼型氣動(dòng)性能的影響。

1 模擬方法

在雙流體模型中,所有的相都被認(rèn)為是連續(xù)介質(zhì)且充滿整個(gè)流場。兩種組元在都占據(jù)著流場,并且按照自己的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。由于共存于同一時(shí)空中,存在各種相互作用,因此通常采用空間平均法。

圖1 葉片模型

1.1 模 型

采用歐拉雙流體模型,湍流模型采用SST k-omega模型,使用c型計(jì)算域,葉片模型圖1所示。

圖2 du93翼型網(wǎng)格劃分

1.2 網(wǎng)格生成

如圖2所示,以du93翼型為例,用ICEM生成48829個(gè)網(wǎng)格,其中邊界層第一層厚度為0.000005m,網(wǎng)格增長率為1.1。

2 結(jié)果分析

2.1 沙子體積分?jǐn)?shù)影響

圖3分別是s803翼型在風(fēng)速10m/s,沙子粒徑為10μm的情況下,體積分?jǐn)?shù)為1e-5,5e-5和1e-4的情況下周圍壓強(qiáng)分布圖。從圖中可以看出三種翼型前緣區(qū)域均存在一個(gè)高壓區(qū)。下表面前緣均存在低壓區(qū),且區(qū)域的長度與沙子體積分?jǐn)?shù)成正比,尾緣存在中壓區(qū),其氣壓高于其他部分。翼型上表面均被低壓區(qū)覆蓋,且壓強(qiáng)由內(nèi)向外呈漸次遞增。其中,三種情況下葉片氣壓的最低區(qū)域均出現(xiàn)在從腐蝕點(diǎn)開始向尾部一段距離。由圖3可知,該區(qū)域的大小與沙子的體積分?jǐn)?shù)成正比。因此會對葉片的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響。

圖3 不同體積分?jǐn)?shù)s803周圍壓強(qiáng)分布

圖4分別為s803翼型在風(fēng)速10m/s,沙子粒徑10μm體積分?jǐn)?shù)分別為為1e-5,5e-5和1e-4條件下沙子體積分?jǐn)?shù)分布圖。從圖4中可以看出三種情況下,葉片的腐蝕點(diǎn)至尾緣區(qū)域因?yàn)樯沉o法附著而存在大量沙粒低濃度區(qū)域。沙子高濃度區(qū)域出現(xiàn)在葉片頭部,主要因?yàn)樽矒糇饔脤?dǎo)致沙礫流速下降。但當(dāng)沙子體積分?jǐn)?shù)為1e-5時(shí),翼型的高濃度區(qū)域較其他兩種情況有明顯增大,原因是沙礫的體積分?jǐn)?shù)不夠大,因此在葉片頭部的撞擊和減速效果沒有其他兩種情況強(qiáng),這也將對翼型的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)s803上沙粒分布

2.2 模型不同結(jié)果對比

圖5分別是du93翼型、s802翼型和s803翼型在風(fēng)速10m/s,沙子體積分?jǐn)?shù)為1e-5的情況下周圍壓強(qiáng)分布圖。從圖5中可以看出三種翼型前緣區(qū)域均存在一個(gè)高壓區(qū)。Du93翼型上表面存在小范圍低壓區(qū)域和大范圍次低壓區(qū)域,下表面同時(shí)存在一定范圍的次低壓區(qū)域。而s802和s803上下表面壓強(qiáng)分布則大致相似,翼型上表面存在一定范圍的低壓區(qū)和次低壓區(qū),下表面則為中壓區(qū)。

圖6分別為風(fēng)速10m/s,沙子粒徑10微米且體積分?jǐn)?shù)為1e-4條件下不同翼型的沙子體積分?jǐn)?shù)分布圖。從圖中可以看出三種翼型從腐蝕點(diǎn)向尾緣方向存在大量低濃度沙子區(qū)域,主要原因?yàn)樯匙釉谙蛳掠瘟鲃?dòng)過程中無法形成附著流動(dòng),在翼型中部甩出,從而導(dǎo)致翼型吸力面和壓力面均存在低濃度分布區(qū)域。du93的低濃度區(qū)域略高于s802和s803,這與該翼型尾緣收斂較大這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。在前緣位置處,三種翼型上下表面均存在高濃度分布的區(qū)域,原因是沙子在流動(dòng)到翼型前緣存在撞擊作用,流速降低,部分沙子顆粒在壁面摩擦力作用下進(jìn)一步降低流速,形成高濃度堆積區(qū)域。同時(shí),s802和s803的下表面前緣均存在沙礫低濃度區(qū),而du93下表面的低壓區(qū)出現(xiàn)在后緣區(qū)域,這也將造成翼型氣動(dòng)性能的差異。

圖6 不同翼型葉片上沙粒分布

2.3 粒徑影響

圖7分別是s802翼型在風(fēng)速10m/s,沙子體積分?jǐn)?shù)為5e-6,沙礫粒徑分別為30μm,50μm和100μm的情況下葉片周圍壓強(qiáng)分布圖。從圖7可以看出三種翼型前緣區(qū)域均存在一個(gè)高壓區(qū),翼型的上表面幾乎被壓強(qiáng)漸次增強(qiáng)的低壓區(qū)覆蓋,翼型下表面的前緣出現(xiàn)低壓區(qū)且尾緣部分的壓強(qiáng)高于其余部分?？傮w上來看,三種情況下翼型的壓強(qiáng)大小、壓強(qiáng)分布區(qū)域且區(qū)域大小幾乎沒有區(qū)別,因此,沙礫的粒徑對翼型周圍的壓強(qiáng)分布沒有明顯有影響。

圖7 不同粒徑s802周圍壓強(qiáng)分布

圖8分別是是s802翼型在風(fēng)速10m/s,沙子體積分?jǐn)?shù)為5e-6,粒徑為30μm,50μm和100μm的情況下周圍沙礫濃度分布圖。從圖中可以看出三種情況下翼型前緣都存在沙礫高濃度區(qū),但隨著沙礫粒徑的增大,高濃度區(qū)逐漸到達(dá)翼型中部及尾緣,而低濃度區(qū)隨著高濃度區(qū)的延伸逐漸變小,當(dāng)粒徑為100μm時(shí)只存在于尾緣附近。因此猜測這將對風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一些影響。

圖8 不同粒徑s802上沙粒分布

2.4 升 力

通過對du93,s802和s803翼型在來流風(fēng)速10m/s,粒徑為10μm的情況下進(jìn)行計(jì)算,其升力如表1所示。

表1 不同體積分?jǐn)?shù)情況下升力統(tǒng)計(jì)表

由表1可知,在一定范圍內(nèi),三種模型的升力隨著體積分?jǐn)?shù)增大而增加,且均呈線性增加,其中增幅最大的為s803,達(dá)到16.74%,最小的為du93,為14.62%。繪制折線圖,如圖9所示。

圖9 不同體積分?jǐn)?shù)下翼型升力圖

通過對du93,s802和s803翼型在來流風(fēng)速10m/s,體積分?jǐn)?shù)為5e-6的情況下進(jìn)行計(jì)算,其升力如表2所示。

表2 不同粒徑情況下升力統(tǒng)計(jì)表

由表2可知,當(dāng)粒徑增大時(shí),三種翼型所受升力均有略微下降,但幅度很小可忽略不計(jì),繪制折線圖,如圖10所示。

圖10 不同粒徑下翼型升力圖

3 結(jié) 論

在來流風(fēng)速10m/s的工況下,通過改變沙粒的體積分?jǐn)?shù)和粒徑來研究對du93,s802和s803翼型升力的影響,結(jié)論如下。

(1)沙礫的體積分?jǐn)?shù)會對翼型的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響,體積分?jǐn)?shù)越大,翼型的升力越大,其中s803翼型升力增幅最明顯,達(dá)到16.74%,du93翼型增幅最小,為14.62%。這說明氣相粒子在風(fēng)能作用下攜帶固相粒子與翼型前緣部分的相互作用是引起升力變化的主要原因。固相顆粒和前緣的碰撞會引起前緣壓力分布的變化。顆粒之間的相互作用引起翼型附面層內(nèi)流動(dòng)的細(xì)觀變化。

(2)沙粒的粒徑對翼型的氣動(dòng)吸能有影響不大,粒徑增大,翼型的升力略微減小。

(3)對于du93,s802和s803三種翼型,升力最好的是s803,其次是s802,du93最差。這與翼型結(jié)構(gòu)有關(guān),du93的前緣上升幅度和尾緣收斂幅度均較大而s802和s803翼型線條平緩。

(4)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種多尺度、多場耦合的非平衡態(tài)發(fā)展過程,存在顯著的空間結(jié)構(gòu)不均勻性,歐拉雙流體模型在一定程度上可以有效地應(yīng)用于風(fēng)沙顆粒流體體系的動(dòng)力學(xué)特性研究。