停机状态叶片位置对风力机体系气动性能影响

柯世堂,余　玮 ,王同光

(1.南京航空航天大学 土木工程系,江苏 南京 210016；2.南京航空航天大学 江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,江苏 南京 210016)



停机状态叶片位置对风力机体系气动性能影响

柯世堂1,2,余玮1,王同光2

(1.南京航空航天大学 土木工程系,江苏 南京 210016；2.南京航空航天大学 江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,江苏 南京 210016)

摘要:为了研究停机状态下叶片不同位置对风力机体系气动性能的影响程度,以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用大涡模拟(LES)方法对停机状态下叶片不同位置时的风力机体系气动性能进行数值模拟.基于8种计算工况(由叶片旋转全过程状态下和塔架的相对位置确定)下的三维非定常数值模拟结果,研究风力机体系表面空间风压分布特性及周围流场的作用机理,总结出不同停机状态下叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律.结果表明,叶片停机位置对风力机体系表面风压分布和绕流特性的影响显著,上游叶片的遮挡效应对塔架迎风面和侧面产生显著影响,随着塔架与叶片相对位置的接近,塔架背风面尾涡区域变得细长且不规则.

关键词：大型风力机体系；停机状态；叶片位置；大涡模拟；气动性能

水平轴风力发电机组是最有效的风能转换装置之一,主要由高耸塔架和轻柔叶片组成,属于典型的风敏感结构[1-2].叶片的旋转和绕流影响着塔架周围流场,从而导致塔架周围局部范围内风速的急剧变化及流场特性的改变,特别是在高风速的停机状态下,叶片的不同位置会引起塔架及叶片本身风压分布的显著差异.对停机状态下风力机体系气动载荷的准确预测具有重要的工程意义.

近年来,针对风力机塔架和叶片之间气动性能的干扰作用研究,田仁斌等[3]对上风向风力机进行三维非定常数值模拟,计算得出塔架的阻碍作用会引起叶片载荷的急剧变化.张立茹等[4-5]基于大涡模拟方法研究叶片翼型对风力机流场特性的影响,结果表明波浪翼型和s型小翼使得风力机流场具有较好的流动特性.关鹏等[6]采用4种不同的湍流模型比较分析风力机不同来流速度下的三维湍流流场,结果表明,选择不同的湍流模型对数值结果有明显的影响,且SSTk-ω湍流模型较适合模拟风力机周围的复杂流动.柯世堂等[7]基于谐波叠加法和改进的叶素-动量理论模拟了考虑旋转和相干效应的风力发电结构脉动风场.田琳琳等[8-9]研究风力机尾流区域的流场特性,对风力机布局进行优化,以提高整个风电场的效率.已有研究均没有对停机状态下叶片不同位置对风力机体系气动性能的影响进行定性和定量研究.

本文以某3 MW水平轴三叶片风力机为研究对象,基于大涡模拟方法对停机状态下叶片不同位置时的风力机体系气动性能进行数值模拟,对比了8种不同计算工况(由叶片旋转全过程状态下和塔架的相对位置确定)下风力机体系的表面风荷载和绕流特性,总结出停机状态下不同叶片位置对风力机气动性能和干扰效应的影响规律.

1几何模型及计算工况

以某3 MW水平轴三叶片风力机为例,详细参数如下：塔架高度为85 m,塔顶半径为2.0 m,塔底半径为2.5 m,塔体为通长变厚度结构,顶壁厚30 mm,底壁厚60 mm；风轮切入风速为3.5 m/s,额定风速为12.5 m/s,切出风速为25 m/s,风轮倾角为5°；各叶片之间成120°夹角,沿周向均匀分布,叶片长度为44.5 m,沿翼展各叶素截面的详细参数如表1所示.表中,p为叶素截面相对于轮毂的位置百分比,R为半径,C为弦长,φ为入流角,β为叶素桨距角.机舱尺寸为12 m×4 m×4 m, 分别对应长、宽、高方向.根据以上设计参数,依次建立叶片、机舱、轮毂等部件,通过布尔运算形成大型风力机塔架-叶片三维实体模型,如图1所示.

表1　风力机叶片参数列表

根据叶片与塔架的相对位置,考虑到三叶片体系旋转过程中存在的周期性,以叶片与竖直方向的夹角为0°作为初始状态,依次顺时针旋转15°,设置8个计算工况,具体位置如图2所示.

图1　大型风力机体系三维模型示意图Fig.1　Three-dimensional model for large wind turbine

2数值模拟参数设置

2.1计算域及网格划分

为了保证流动能够充分发展,计算流域取12D×5D×5D(流向x×展向y×竖向z,其中D为叶片旋转直径).风力机置于距离计算域入口3D,从而保证尾流的充分流动[10-11].由于叶片表面扭曲复杂,采用混合网格离散形式,将整个计算域分为内、外两个部分：核心区域采用四面体网格,对风力机周围局部网格进行加密；外围区域采用高质量六面体结构网格,网格总数为795万,计算域及网格的具体划分如图3所示.

图2　叶片不同位置风力机体系数值模拟计算工况示意图Fig.2　Calculate working schematic diagram of numerical simulation for blade position of wind turbine system

2.2边界条件及湍流模型

定义进口边界条件为速度入口,其中风速剖面中地面粗糙指数为0.15,10 m参考高度处的基本风速为25 m/s,对应该风力机的切出风速.湍流强度剖面采用中国B类地貌对应的分布形式,通过用户自定义函数实现上述入流边界条件与FLUENT的连接，如图4所示.图中，v为风速，h为高度，I为湍流强度.定义出口边界条件为压力出口,相对压力为0.计算域地面以及风力机表面采用无滑移壁面,计算域两侧面和顶面采用对称边界条件.

数值计算采用3D单精度、分离式求解器,由于风力机所处流场属于非定常且扰流情况复杂,基于大涡模拟方法能够对风力机复杂的流场进行更好的模拟[12-13].亚格子尺度选用Smagorinsky-Lilly模型,压力速度耦合方程组求解采用SIMPLEC格式.该方法收敛性好,且适合时间步长较小的大涡模拟计算.压力离散采用standard格式,动力离散采用Bounded Central Differencing格式,瞬态方程采用二阶隐式,控制方程的计算残差设置为10-6,计算时间步长定为0.001 s.

图3　计算域和加密网格划分示意图Fig.3　Computational domain and grid generation style

3气动性能分析

3.1数值对比验证

为了验证数值模拟的正确性,采用风力机气动和结构设计国际通用软件GH Bladed进行计算,并将结果与CFD数值计算结果进行对比.表2给出分别采用CFD和Bladed软件计算得到的风力机典型测点表面压力系数.表中，Cpm、Cpf分别为平均压力系数和脉动压力系数.可以看出,两者的计算结果比较接近,最大误差不超过12%,表明数值模拟结果是可靠的.

表2　风力机典型测点表面压力系数列表

图4　平均风速剖面及湍流强度分布Fig.4　Vertical profiles of wind speed and turbulence intensity

3.2平均风压系数

图5给出8个工况下的塔架压力系数等值线图.图中，Cp为压力系数.可知,来流方向叶片对塔架没有遮挡的工况下塔架迎风面中部均出现狭长的正压分布带,且压力随着高度的增加而逐渐增大,这是由于风速随着高度呈指数规律增加,在风力机底部风速相对较小,因而风压系数较小；塔架两侧及背风面呈现出负压分布且两侧的负压明显大于塔架背风面.来流方向叶片对塔架出现不同程度遮挡的工况下,由于上游叶片对下游塔架的静力干扰作用主要表现为遮挡效应,对塔架迎风面和侧面产生显著影响,塔架迎风面被遮挡区域呈现出负压分布带,且随着被遮挡程度的增加,负压减小,塔架两侧的负压减小,对塔架背风面的影响较小.

图5　不同工况下的塔架压力系数等值线图Fig.5　Tower pressure coefficient under different working condition

定义工况1中与竖直方向夹角为0°的叶片编号为1,顺时针旋转编号叶片2、叶片3.图6分别给出不同计算工况下的3个叶片压力系数等值线图.可以看出,停机状态下各工况下的叶片迎风面均为正压区,背风面均为负压区；由于上风向风力机叶片在来流方向未受到阻碍,不同工况下各叶片迎风面正压分布情况相接近,中间较边缘压力大；背风面负压分布较均匀,叶片1和叶片3的压力系数分布情况相似,在沿翼展方向约1/3处均出现负压为-0.4的分布区域,叶尖部分负压均在-0.8左右.叶片2与塔架的干扰作用明显,呈现出与叶片1和叶片3不同的负压分布,在工况5和工况6对应的2种叶片位置情况下,负压分布分别在-0.6和-0.4左右,叶尖部分的压力系数较叶片1和叶片3小,约为-0.6.

表3给出塔架和各叶片的整体体型系数.可以发现,塔架的整体体型系数均明显小于各叶片的整体体型系数,说明与圆截面塔架相比,叶片形状复杂对风荷载更加敏感.此外,由于叶片对塔架产生遮挡效应,使得塔架迎风面被遮挡区域出现负压分布,因而工况5和工况6中塔架整体体型系数呈现明显减小的趋势.各工况下叶片1和叶片3的整体型系数变化规律相似,随着叶片与塔架相对位置的靠近,体型系数呈现增加的趋势.

图6　不同工况下的叶片压力系数分布云图Fig.6　Blade pressure coefficient contour distribution under different working conditions

位置工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8塔架0.5220.5240.5240.4360.2710.5490.4780.507叶片11.7521.7671.7301.7501.8021.8231.8041.808叶片21.7781.8471.8721.9271.6171.8611.8501.836叶片31.8161.8011.8251.8041.7901.7891.7491.767

3.3脉动风压系数

根据风轮与塔架相对位置的不同,将塔架分为干扰区域(40～85 m)和未干扰区域(0～40 m).图7给出塔架30和70 m高度处的迎风面压力系数时程曲线.图中，Ts为时间步数.由图7可知,在叶片与塔架未产生遮挡的工况下, 叶片干扰区域的塔架压力系数与未干扰区域的压力系数接近,当叶片对塔架产生不同程度的遮挡时,两个区域的压力系数产生明显区别,且随着遮挡程度的增加差值逐渐增大.

图7　不同工况下的塔架迎风面压力系数时程曲线Fig.7　Tower windward pressure coefficient time history curve under different conditions

表4、5分别给出不同工况下塔架迎风面和侧面不同高度处平均风压系数和均方差风压系数.可以看出：1)在叶片对塔架无遮挡的工况下,70 m高度的平均压力系数均大于30 m高度处的数值；2)工况5叶片遮挡效应最显著,使得迎风面和侧面的平均压力系数明显减小,70 m高度处迎风面平均风压为负值；3)叶片位置不同使得来流经叶片绕流对塔架周围产生干扰程度不同,工况1的叶片2和叶片3处于z轴对称状态,引起的绕流较对称,因而该工况下均方差压力系数较其余工况小,而工况5中叶片遮挡效应引起的叶片-塔架之间流动比较复杂,使得70 m处迎风面的均方差压力系数明显增大.

表6给出计算得到风力机体系各部件典型测点的风压系数极值,其中峰值因子取为2.5.结果表明,停机状态下叶片不同位置对于风力机不同部件的风荷载极值取值有明显影响,建议在大型风力机的抗风设计时考虑最不利情况.

3.4涡量分布

图8给出不同工况下风力机体系叶片和塔架气流干扰显著高度处的涡量Vor分布图.可以发现,在塔架和叶片的背风面均出现明显的涡量增值区域,且随着叶片位置的旋转,叶片与塔架相对位置越接近时塔架背后形成的尾涡区域越明显,说明两者的相互影响非常明显.叶片吸力面产生剧烈的分离流动,叶根涡引起的涡量范围明显大于塔架尾涡区域,在工况3和工况7两种情况下未有明显叶片截面的位置出现了大范围涡量增值区域,即出现了明显的叶尖涡.

表4　塔架不同工况下的平均风压系数列表

表5　塔架不同工况下均方差系数列表

表6　风力机体系各部件典型测点的风压系数峰值列表

图8　塔架和叶片气流干扰显著高度处涡量分布图Fig.8　Vorticity distribution of tower at height of typical interaction

图9　工况1的各叶片涡量分布图Fig.9　Vorticity distribution of blades under working condition 1

图9给出工况1下各叶片的涡量分布.可以发现,在风力机叶片尾流流场出现了明显的叶尖涡和叶根涡,在叶根和叶尖之间出现了叶片尾缘涡；由于该工况下叶片1位于塔架上方未受到明显扰动,引起的尾涡区域稍小于叶片2和叶片3.

图10　风力机体系典型截面流线图Fig.10　Velocity contour with streamlines of wind turbine

3.5流场分析

图10给出风力机体系典型截面的速度流线图.可以发现,来流受到叶片的阻挡发生流动分离,且分流沿叶片表面附着流动,经过叶前缘和叶后缘部分来流在叶片背风面形成了涡旋,在靠近叶片表面形成了尺度较小的涡旋,这部分涡旋的流动脱落是叶片背风面形成负压的主要原因.当塔架与叶片的距离足够近时,涡旋在叶片背风面与塔架迎风面之间移动,使得工况5和工况6下塔架迎风面出现负压.

从三叶片旋转的位置来看,仅叶片2的旋转经过了塔架,图11给出叶片2不同旋转位置的流线图.

可以看出：1)来流沿机舱表面附着流动,各工况下机舱背后均有涡旋,这是形成机舱背风面负压分布的主要原因；2)来流在叶片背风面接近叶根的地方均出现明显的分流,叶片背风面主要表现为附着流动且在叶片表面形成尺度较小的附着涡,沿翼展方向流动分布较均匀,因而叶片背风面负压分布较均匀；3)随着叶片对塔架遮挡程度的增加,叶片-塔架之间的相互作用程度增加,并在后方形成了尺度较大的涡旋,往往形成涡旋的地方气流分离较严重,脉动程度较大,这是造成干扰效应明显工况下均方根压力系数增大的原因； 4)工况5中叶片对来流起了阻碍作用,使得来流经叶片绕流至塔架中间形成涡旋,再附着塔架绕流至塔架背风面形成了较大涡旋,从而引起了吸力.

图12给出风力机体系叶片和塔架气流干扰显著高度处的速度流线图.可以看出,来流由叶片流经塔架时,形成了塔架周围明显的速度增大区.近塔顶高度处叶片与塔架之间的相互干扰作用明显, 均在塔架背部形成明显的尾涡,并且随着叶片与塔架之间的位置靠近程度增加,叶片周围的流动变得更加复杂和不规律,塔架周围流体加速越显著；在塔架背后形成的尾涡区域变得细长,涡旋的形状随着叶片和塔架之间的干扰程度增加变得不规则.

图11　叶片2不同工况下的速度云图及流线图Fig.11　Velocity contour distribution with streamlines of blade 2 under different working conditions

图12　塔架和叶片气流干扰显著高度处速度云图及流线图Fig.12　Velocity contour distribution with streamlines between tower and blade at height of typical interaction

4结论

(1)停机状态下叶片不同位置导致风力机体系表面风压分布情况不同.当叶片位置远离塔架时,塔架迎风面均出现狭长的正压分布带,两侧以及背风面出现负压且两侧负压大于背风面；随着叶片和塔架产生不同程度的遮挡时,上游叶片的遮挡效应对塔架迎风面和侧面产生显著影响.

(2)当叶片对塔架产生完全遮挡时,气流分离较严重从而形成涡旋,脉动程度较大,造成塔架干扰区域压力系数均方差明显增大,塔架迎风面负压分布使得整体体型系数相对其他计算工况明显变小.

(3)叶片不同位置的尾流流场均会出现明显的叶尖涡和叶根涡,同时在叶根和叶尖之间产生了明显的叶片尾缘涡,且随着叶片与塔架相对位置的接近,塔架背后形成的尾涡区域变得细长,涡旋的形状随着叶片-塔架之间的干扰程度增加变得不规则.

(4)来流在叶片背风面接近叶根的地方均出现明显的分流,叶片背风面主要表现为附着流动且在叶片表面形成尺度较小的附着涡,沿翼展方向流动分布较均匀.当叶片完全遮挡塔架时,来流经叶片绕流至塔架中间形成涡旋,再附着塔架绕流至塔架背风面形成了较大涡旋.

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收稿日期：2015-07-06.浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金项目：国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2014CB046200)；中央高校基本科研业务费资助项目(56XAA16018)；中国博士后特别资助项目(2015T80551).

作者简介：柯世堂(1982-)，男，副教授，从事结构抗风与抗震研究.ORCID:0000-0003-0240-3578.E-mail: keshitang@163.com

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.002

中图分类号：TK 83

文献标志码：A

文章编号：1008-973X(2016)07-1230-09

Impact for blade position on aerodynamic performance of wind turbine system under stopped status

KE Shi-tang1,2, YU Wei1, WANG Tong-guang2

(1.DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.JiangsuKeyLaboratoryofHi-TechResearchforWindTurbineDesign,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Abstract:The 3 MW wind turbine developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics was studied in order to analyze the impact for blade position on aerodynamic performance of wind turbine system under stopped status. Different blades positions on aerodynamic performance of wind turbine under stopped status were simulated by large eddy simulation. The space of wind pressure distribution characteristics and mechanism of flow field were analyzed based on three-dimensional unsteady numerical simulation results of eight calculation conditions which are determined by relative position between blades and tower in the whole process of blade rotation. The regularity of blade position effects on aerodynamic performance and interference effect under stopped status was summarized. Results showed that wind pressure distribution on the surface of wind turbine system and flow characteristics were significantly affected by the blade stopped position, and shade effect of blade significantly impacted tower leeward and sides. Trailing vortex area of tower leeward became thin and irregular with the approaching of relative position between tower and blade．

Key words:large wind turbine；stopped position；blade position；large eddy simulation；aerodynamic performance