基于Xflow风机叶片覆冰数值模拟研究

杨生 钱进 王明惠 朱春晓

摘 要：为研究风力发电机叶片覆冰后对其运行性能带来的诸多问题，本文采用格子玻尔兹曼方法-大涡模拟的无网格方法对贵州某1.5 MW大型风力发电场的风机叶片雾凇、雨凇覆冰下的结冰程度、风速及转速对其输出能力的影响进行数值模拟研究，并根据计算结果拟合出一组公式。结果显示：额定风速下雾凇覆冰程度达2%时，与未覆冰（0%）时相比，输出功率和风能利用系数分别减少了5.06%和11.89%;结冰度达20%后其功率和风能利用系数分别降低了26.23%和31.54%;当雨凇覆冰程度达到2%后其输出功率降低16.47%，风能利用系数降达21.29%，10%的雨凇形式覆冰其功率降幅为31.51%，风能利用系数降幅达35.46%;转矩及输出功率均随风速的增加不断上升，结冰度为20%时，其转矩和功率较结冰程度为零时减少了26.23%;转矩、输出功率和风能利用系数均随转速增大而上升，转速为16 r/min时是最佳转矩状态;运行现场根据计算结果拟合的公式获得的覆冰模型，可进行有效的性能预测。

关键词：风机叶片;覆冰;Boltzmann方法;大涡模拟;数值模拟

中图分类号：TK83  文献标志码：A

近年来，我国聚焦绿色低碳转型，继续深化能源供给侧结构性改革，风力发电在全球电力生产结构中的占比不断上升。叶片覆冰（雾凇、雨凇等）[1]问题会对风机的输出性能、电力系统运行稳定性、安全等造成巨大影响，为减轻覆冰带来的诸多影响，确保其输出性能及电力系统稳定运行，国内外许多科研人员对风机叶片覆冰问题进行了很多研究。任晓凯[2]对小型风力机在结冰程度增加过程中的风能的利用系数变化趋势进行了計算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）数值模拟，研究了不同覆冰类型及覆冰多少对风能利用系数带来的问题，并且在人为制造的室内对风力发电机进行了相关覆冰实验。付忠广[3]等应用CFD软件，对覆冰后的叶片的气动性能有了较深的了解，说明了覆冰会造成叶片的气动性能方面发生恶化。也有学者采用格子玻尔兹曼（lattice boltzmann method，LBM）-大涡模拟（large eddy simulation，LES）方法进行相关研究，邹森[4]采用了LBM-LES方法及亚格子模型对风力机自由旋转风轮的湍流流场进行了模拟，结果证明了LBM-LES能有效地了解得到风力发电机比较复杂的湍流流场的细节。

本文基于LBM-LES方法，采用Xflow软件对风机叶片覆冰情况进行了数值模拟研究。根据本研究的数值模拟计算结果，运行人员可利用固定安装的高清晰度摄像头、无人机航拍等技术手段获得的结冰图片判断其类型及厚度后结合预测模型可对风机叶片覆冰输出性能进行预测，为电厂运行提供一定的参考。

1 风机叶片的几何模型与覆冰模型

1.1 几何模型

本文基于贵州某风力发电场的1.5 MW某型号的水平轴风力机，采用Glauert法结合在风力发电场收集的风力发电机主要参数，利用建模软件CATIA对叶片建立三维建模，风机叶片几何模型如图1所示。

该风机叶片三维模型中，风机风轮直径88 m，叶片半径是44 m，其中轮毂的半径为1 m，风轮的旋转速度为17.4 r/min，风机叶片最大弦长在叶片径向距离等于0.2 R的位置取得，弦长C为3.67 m，叶片各截面上的弦长是沿着径向半径逐渐变小，叶片尖端处的弦长为1.0 m 。

1.2 覆冰模型

本文结合实际情况并参考文献[5-6]中的表示方法，定义覆冰程度为叶片叶尖处的翼型沿弦长的覆冰厚度与叶尖处弦长值之比，参考文献[7-9]知风力机叶片雾凇形式下的覆冰形状的相对规则，通常呈现为流线型，主要集中在叶片的前端;而雨凇呈突起的角状冰型。风机叶片两种覆冰形式（雾凇、雨凇）的二维截面表示为图2、图3所示。

3 结果与分析

3.1 覆冰程度对输出性能的影响

由图6可知，随着雾凇结冰不断恶化，风机的转矩、风能利用系数及功率都呈现出明显的下降趋势。通过分析转矩图6（a）和输出功率图6（b）曲线可知，低风速下叶片覆冰起始段转矩和输出功率降低不明显，如6 m/s的速度下，2%的雾凇覆冰较未覆冰（0%）时的转矩和输出功率几乎没有变化，速度提高后，风力发电机轻微雾凇结冰后其功率和转矩下降趋势越来越明显;从图6（c）可以看出，轻微雾凇覆冰时风能利用系数显著下降，随着覆冰程度不断加重，风能利用系数受结冰程度的限制较形成冰的初期时小。

分析图7可知，当转速不变时，与雾凇覆冰相同，雨凇覆冰不断加重后风机的输出性能总体明显降低。对比雨凇覆冰程度为2%时与未覆冰（0%）两个工况下转矩和输出功率的结果，可以看出，其下降幅度比较显著，与雾凇形式的覆冰存在区别，且雨凇覆冰程度达10%时风机的输出功率较0%时下降达31.51%左右。

3.2 风速对输出性能的影响

由图8可知，在覆冰程度不变的情况下，风力发电机的功率及转矩随速度的升高而增大，当速度达到9 m/s接近额定速度值10 m/s时，转矩和其功率曲线变化较缓。在雾凇覆冰程度不同的情况下，虽然转矩和输出功率具体数值不同，但是总体的变化趋势始终保持一致，覆冰程度较小的几条曲线比较靠拢，当覆冰程度较大时曲线间隔变大，当覆冰为20%时，风力机的转矩和其功率较覆冰程度为零时下降了26.23%，可以看出如果覆冰持续加剧，风机输出性能会继续下降。

分析雨凇覆冰不同风速下输出性能变化曲线可知，随着风机叶片表面的冰厚度的增加，风机的转矩和输出功率均呈现下降趋势，风力机的转矩和输出功率随着风速的升高逐渐增加，但风速较小（≤5 m/s）时，风力机的转矩及出口功率增长较为平缓。

3.3 转速对输出性能的影响

由图10可知，覆冰加重引起风机转矩、出口功率和风能的利用系数等性能指标均呈现下降趋势。起始时风机的转矩、出口功率和风能的利用系数均随转速的上升而增大，当其转速增达16 r/min时，若继续增加，转矩呈现明显的下降趋势，而出口功率及其风能利用系数仍保持相对之前比较平缓地增长趋势。

4 结论

论文采用LBM-LES的无网格方法对风机叶片两种覆冰类型的覆冰程度、风速和转速对其功率、转矩及风能利用系数的影响进行了数值模拟研究。现得出以下结论：

（1）风机的转矩、输出功率及风能利用系数均随叶片覆冰程度的加重呈下降趋势，速度不变情况下雾凇覆冰程度达2%时，与0%时相比，其功率减少5.06%，风能利用系数下降了11.89%;覆冰程度达20%时，输出功率和风能利用系数对应减少了26.23%和31.54%。当雨凇覆冰程度达到2%时，功率降幅达16.47%，风能利用系数降幅达21.29%，10%的雨凇覆冰程度其功率降幅为31.51%，风能利用系数降幅达35.46%，功率和风能利用系数降幅均大于雾凇覆冰20%时的工况。

（2）在一定的覆冰程度下，其转矩、输出功率均随着风速的升高而不断增加，当风速增大到9 m/s接近额定风速值10 m/s时，风机的转矩和输出功率曲线基本保持水平不变，当覆冰20%时，风力机的转矩和功率较未覆冰（0%）时下降了26.23%。

（3）转速的不断上升将引起风力发电机的转矩、功率及风能利用系数增加，当转速加大到16 r/min时，若继续增加转速，转矩呈现较明显的下降趋势，对于转矩而言，转速为16 r/min时为最佳状态。

（4）根据拟合公式结果显示，输出功率、转矩及风能利用系数均与覆冰程度成二次方关系，与雾凇覆冰相比，雨凇形式的覆冰对其性能会带来更大的影响。

根据本文研究所得结果，风力发电厂可通过现代科技技术获得风机叶片覆冰类型及程度后对其采取相应措施，确保其运行的有效性、稳定性及安全性。参考文献：

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（责任编辑：于慧梅）

Abstract： In order to study the problems caused by the operation performance of wind turbine blades after icing， this paper adopts the lattice Boltzmann method-large eddy simulation meshless method to analyze the wind turbines of a large 1.5 MW wind farm in Guizhou. The effect of icing degree， wind speed and rotation speed on the output capacity of blade rime and rime icing is studied numerically， and a set of formulas are fitted according to the calculation results. The results show that： when the rime icing degree reaches 2% under the rated wind speed， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 5.06% and 11.89% compared with the non-icing （0%）; when the icing degree reaches 20%， the output power and the wind energy utilization coefficient are reduced by 26.23% and 31.54% respectively; when the rime icing degree reached 2%， its output power decreased by 16.47%， and the wind energy utilization coefficient dropped to 21.29%. The power reduction rate of 10% rime icing was 31.51%， the wind energy utilization coefficient has dropped by 35.46%; both torque and power continue to rise with the increase of wind speed. When the icing degree is 20%， the torque and power are reduced by 26.23% compared to when the icing degree is zero; The torque， the output power and wind energy utilization coefficient both increase with the increase of speed. When the speed is 16 r/min， it is the best torque state; the icing model obtained by the formula fitted by the calculation result can be used for effective performance prediction.

Key words： blade of wind turbine; ice coating; Boltzmann method; large eddy simulation; numerical simulation