风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究

张宏洋，盛会霞，张　玲

(1.国电科技环保集团股份有限公司 采购与物资管理部，北京100039；2.郑州燃气发电有限公司，郑州 450010；3.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)



风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究

张宏洋1，盛会霞2，张玲3

(1.国电科技环保集团股份有限公司 采购与物资管理部，北京100039；2.郑州燃气发电有限公司，郑州 450010；3.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：采用SSTk-ω模型，分别对均匀风和剪切风下1.2 MW水平轴风力机在11.26m/s来流风速下的绕流流场进行三维数值模拟。根据模拟结果分析均匀来流和动态风剪切来流对风力机输出功率的影响以及风剪切对风力机三维流场的气动性能影响。研究结果表明：均匀风下，风力机功率计算值与设计值吻合较好；风力机受到风剪切的影响时，能导致叶片表面的载荷和性能发生变化。

关键词：风力发电机；风轮；风剪切；气动性能；数值模拟

近年来，随着风能理论以及风电技术的日益成熟，各个国家开始引入大型风力机进行发电[1]。但风力机进入工作状态时面临的环境非常复杂，风的湍流特性、偏航入流、塔影效应、风剪切、地球引力以及尾流等都会对风力机的性能产生影响[2-3]。自从Lanchester和Betz计算出风力机可利用风能的最大利用率为59%，又经过多年对风力机不断的研究[4-5]，一直到1935年才有实质性突破，进而由Glauert建立了叶素动量理论(Blade Element Momentum Theory，BEM)[6]，成为风力机设计程序遵循的理论基础。到目前为止，人们对于风力机最基本的气动性能还没有研究透彻，急需对理论进行进一步探索和完善[7-9]。

对风力机进行实验时，整机实验非常有难度[10]。国内外的研究学者想到了运用计算机解决问题，于是CFD[11]成为了最主要的研究方法。张涵信和贺立新[12]采用了有限体积法，在非结构网格单元上进行离散，同时利用同位非结构化网格进行了压力的加权修正，模拟采用了Navier-Stokes方程及k-ε方程，给出了在不同攻角条件下，孤立翼型的分离流结构以及表面的压力分布情况。田琳琳[13]将风轮简化为致动盘，采用CFD方法对风电场内的9台呈梅花型布置的风力机进行数值模拟，得到尾流流场的速度分布及下游尾流区的湍流强度分布，对于大型风电场的微观选址和风力机布置方式提供了理论依据。李晓冰[14]将Jensen简单地形尾流模型和复杂地形的尾流模型相结合，采用微粒群优化算法计算每个风力机的来流风速来反映各个风力机组间的相互绕流及影响，最终对风电场中的风力机进行优化排布。陈严[15]根据势流理论建立了动态尾流气动模型，在传统的稳态过程中的尾流模型上做了改进，更能真实地反映尾流流场的低速区和尾流诱导速度场，便于对风力机的气动性进行分析。

在对风力机的模拟研究中，风剪切的研究比较少。对于实际运行的风力机，运行环境非常复杂，具有很强的时变性。由于地面边界层的作用风速沿高度增大，并且还会受到上游风力机尾流的影响，在铅锤方向上，平均风速随高度的增加而增加，一般在离地面300 m-500 m后风速才会趋于常数。在风力机叶片外形的气动优化设计过程中，目前均不考虑风剪切的影响，已有的各种设计方法[16]都是采用风轮中心处的风速作为单一的设计风速。这种做法对于小功率的风力机而言是可行的，因为其直径较小，风速在直径尺寸内变化不大，而对于大功率的风力机，就有必要考虑风速在垂直方向上的变化问题，即风剪切问题[17]。图1示意了轮毂风速为11.26 m/s时，计算域进口边界上的切变风速分布。

图1 风速随高度变化的曲线图2 风力机的流场区域

风轮是风力发电机的核心部件，为了更好的利用风能，风轮直径不断增加，风轮的垂直高度、风力机所处的地理位置及地形地貌和风轮与塔架的相互作用等因素造成了气流的不均匀性[18]。因此，考虑风剪切影响的风力机整机数值模拟对了解和改进风力机气动性能具有实际意义。

本文运用CFD的方法构建风力机三维数值流场，最大程度的接近风力机实际运行环境，模拟风力机在风剪切条件下的三维流动情况。

1模型的建立

1.1几何模型

采用Solidworks和Gambit软件对风力机进行三维建模及网格划分，风力机额定功率为1.2 MW，其叶轮直径D=70 m，计算区域主要由半径为5 D、长为13 D的半圆柱体构成。风力机塔架高为80 m，距流场进口边界为3 D，流场区域具体尺寸如图2所示。风力机的进口风速为11.26 m/s，风轮额定转速为18.44 rpm。

1.2数学模型的建立

在本文中，由于来流风速和叶轮的旋转速度较低，视空气为不可压缩流体。本文基于不可压缩流动三维定常雷诺时均N-S方程(RANS)进行了数值模拟，采用Segregatd隐式求解器，紊流模型使用SSTk-ω模型，压力-速度耦合采用SIMPLE算法，对流项差分格式采用二阶迎风格式。

控制方程通用形式：

(1)

式中：φ为通用变量；u为速度；ρ为流质密度；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

1.3风剪切模型

地面上空气的流动会被地球表面的摩擦阻力(边界层效应)所阻碍，风速随高度增加的比率取决于地面的粗糙度[19]。风力机由于受到风剪切的影响，风速值在整个风轮扫掠面上是处处不同的。随着风力机容量增大，其塔架越来越高，叶片半径越来越大，这种情况下风剪切对风力机的影响也愈发显著[20]。风速随高度变化服从普朗特经验公式，风剪切采用的对数模型为

(2)

式中：V(ZR)以及V(Z)分别为高度ZR与高度Z处的风速；Z0为风剪切系数，其值与地面粗糙度有关，它也反映风速随高度变化的快慢程度，通常数值在0.1-0.5之间，本文选择0.2。

2网格划分及边界条件处理

2.1网格划分

整个流场区域分为静止区域和转动区域，风力机叶轮为转动区域，其它为静止区域，为了平衡叶片扭曲性对计算结果准确的影响，叶片旋转区域采用Size function函数法划分网格，同时对叶片表面及其周围进行网格加密处理，如图3所示。其它区域采用混合型网格进行划分，总的网格数约为110万，如图4所示。

图3 叶轮转动区域网格划分图4 流场划分

2.2边界条件设定

入口边界为速度进口：均匀风速时,来流风速为u=u∞=11.2 6m/s；剪切风速来流是利用FLUENT提供的UDF(user-defined functions)编程与FLUENT作接口实现三维数值模拟；出口边界为自由出流。

叶片和轮毂：选wall为边界，以y轴为旋转轴，采用无滑移壁面边界条件，转速N=18.44 r/min；

机舱和塔架：选wall为边界，壁面无滑移；

其余面：旋转小区域的外表面及其余内表面设置interior。

3数值模拟的计算结果及分析

3.1风力机的输出功率

根据Fluent模拟计算得到叶片及轮毂对y坐标轴的转矩，再依据公式(3)求出输出功率：

P=T×N×2π×z/60 ，

(3)

式中：P为输出功率，W；T为转矩，N·m；N为叶轮的转速，rpm；Z为叶片数。

根据公式(4)将得到的输出功率与额定功率比较，得到相对误差，并根据相对误差的大小分析风剪切对风力机输出功率的影响。

(4)

式中：r为相对误差；P0为设计功率(1.2MW)；P为输出功率。

表1　整机叶片及轮毂对各个坐标轴的转矩

从表1可知：在均匀风下，3个叶片和轮毂对Y轴的总转矩为607 580 N·m，经计算得到整机的输出功率为1172 661.8W，相对误差为2.28%。这是由于叶片与塔架间的相互干扰以及塔架对流场的影响，导致整机的输出功率减少。

在剪切风下3个叶片和轮毂对Y轴的总转矩为572 199.5 N·m，经过计算得到整机的输出功率为1 104 375.552 W，相对误差为7.97%。由表1得出的功率跟设计功率1.2 MV进行对比。可见，均匀来流的情况下风力机的输出功率最接近设计功率，剪切风条件下计算结果明显小于设计值。这是由于风力机风轮直径较大，垂直高度风速给风轮带来的不均匀性将会给计算结果带来较大的误差；并且由于旋转上游叶片发生涡脱落，导致旋转下游叶片周围流场环境发生改变，也造成其输出功率的减小。因此，在进行大功率风力机数值计算时，应考虑风的剪切效应。

3.2剪切风条件下来流对三维水平轴风力机尾流的影响

经过Fluent数值模拟，输出计算结果，利用后处理软件Tecplot对计算结果进行分析处理，如图5所示。

图5　风力机尾流速度云图

由图5中可以看出，由于地面粗糙度的影响，风力机整体计算区域的风速出现层间差别。剪切风与剪切风经过风轮后的低速尾流，在距风轮一定距离处混合。同时，在上层高风速区的影响下，混合低速区逐渐变薄，最终风速分布趋于稳定。随着高度的增加，风速梯度越来越小，风速切面也更趋于均匀，风剪切的作用也越小，可见适当增加塔架高度，可减少风剪切的影响。

3.3剪切风来流对三维水平轴风力机气动性能的影响

风轮在动态来流的条件下，由于风剪切的影响，叶片在每个不同方位角处所承受的气动力会不同。图6为沿叶片径向3个不同截面处轴向力随方位角的变化情况，从图中可以看出整个叶片的轴向力随着方位角从0°到180°的变化逐渐变小，且靠近叶尖处截面的轴向力变化梯度较大，随着方位角从180°到360°的逐渐增大，叶片轴向力逐渐增大，其中在方位角为180°处，整个叶片的轴向力为最小值。

图6 风剪切来流下轴向力在不同截面处随方位角的变化图7 风剪切来流下攻角在不同方位角时随截面的变化

图7为在4个不同方位角的情况下，沿叶片径向不同截面位置的攻角变化。叶片在四个不同方位角下，径向截面攻角的变化趋势相同，沿叶根到叶尖方向，攻角呈现先平缓增大后减小的趋势，在叶片40%处达到最大。叶尖处攻角最小，这可能由叶尖损失所引起。方位角为270°时，整个叶片的攻角比其它三个方位角处叶片攻角大。

4结论

本文对1.2 MW水平轴风力发电机旋转风轮流场进行了数值模拟，通过Fluent提供的用户自定义函数(user-definde function，UDF)定义了数值模拟的初始条件和边界条件，完成了风力机气动性能计算，得出以下结论：

(1)通过均匀风下的输出功率和剪切风下的输出功率与风力机设计功率1.2 MW进行对比，可以看出，由于风剪切的存在，使风力机获得的转矩减少，风力机的功率变小，与设计值相比，误差比均匀风下的输出功率更大，说明风力机在气动性设计时要考虑风剪切的影响；

(2)在剪切风下风轮叶片在不同方位角处的轴向力有所不同，且在同一方位角处不同径向截面处的轴向力也不相同，越靠近叶尖处轴向力随方位角的改变而变化越大；

(3)剪切风下叶片径向不同截面位置处的攻角不同，沿叶根到叶尖方向，攻角呈现先平缓增大后减小的趋势，在叶片40%处达到最大。

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The Studies of the Influence of Wind Shear on Wind Turbine Aerodynamic

ZHANG Hong-yang1，SHENG Hui-xia2，ZHANG Ling3

(1.Department of Purchasing and Matericals Management，GD Technology & Environment Group Corporation Limited，Beijing 100039；2.Zhengzhou Gas Power Generation Co.，LTD，Zhengzhou 450010；3.Energy Resoure and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：SSTk-ω is applied for an three-dimensional numerical simulation of flow field around a 1.2MW horizontal axis wind turbine with 11.26m/s flow velocity that in uniform wind and wind shear environment respectively.According to simulation results，the paper analyzes the influence of uniform incoming wind and dynamic wind shear on output power of wind turbine，and the infwence of wind shear on its aerodynamic performance of three dimensional flowflied of wind turbine.It is found that the calculated value of wind turbine power is mostly consistent with the design one in uniform wind environment；The wind shear changes the load and performance of blade surfare while uind turbine sutfers.

Key words：Wind Turbine；Wind Wheel；Wind Shear；Aerodynamic Performance；Numerical Simulation

收稿日期：2016-01-12

作者简介：张宏洋(1978-)，男，山东省莱阳市人，国电科技环保集团股份有限公司采购与物资管理部工程师，硕士，主要研究方向：新能源发电技术.

文章编号：1005-2992(2016)02-0033-06

中图分类号：TK124

文献标识码：A