风沙环境对风力机气动性能的影响①

吴浩东, 王 龙, 李超群

(安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

中国的内蒙古、甘肃和新疆等省份是陆地上风力发电的主要省份,但是都存在较频繁的风沙天气,沙尘会对风力机翼型的气动性能产生影响。风力机气动性能一旦降低,就会造成整个工作机组效率大幅度降低,不利于风能的转化。因此,十分有必要对风力机的气动性进行具体深入研究。

石亚丽等人利用计算流体力学方法探讨偏航角和风力机动态特性之间的关系,并进行了相关试验。计算结果表明叶片各截面压力系数和载荷系数与偏航角成正比,这与试验结果近似吻合。赵振宙采用多流管模型研究干扰气流对Φ型风力机气动性的影响,结果表明干扰气流可以很好地改善零攻角区域的气动流场,有助于提高风力载荷变化的平稳性。蔡新等通过在风力机叶片上增加叶尖小翼,发现可以提高风力机的输出功率和风能利用率,并且大倾斜角小翼能有效防止叶尖绕流现象的产生。杨从新等研究多组低空急流结构变化对水平轴风力机气动性的影响,结果表明随着急流宽度和强度增加,叶片各截面压力系数也增加,前缘变化更为显著,法向力和切向力与之成正相关。李爽等模拟了DU91_W2_250型风力机动态失速过程,结果发现随折合频率以及振幅的增大,叶片的动态失速愈加严重。刘利琴等基于叶素动量理论,模拟NREL-5MW浮式风力机气动特性,结果表明叶片变桨故障会影响输出功率。杨瑞等通过分析襟翼高度对风力机气动性影响,揭示了在一定范围内,增加襟翼高度有助于提升风力机气动性,超出此范围就会使其气动性急剧下降。

采用数值模拟的方法,研究来流风速为10m/s的情况下,不同的体积分数和不同的沙子粒径大小对du93,s802和s803三种翼型气动性能的影响。

1 模拟方法

在双流体模型中,所有的相都被认为是连续介质且充满整个流场。两种组元在都占据着流场,并且按照自己的规律运动。由于共存于同一时空中,存在各种相互作用,因此通常采用空间平均法。

图1 叶片模型

1.1 模 型

采用欧拉双流体模型,湍流模型采用SST k-omega模型,使用c型计算域,叶片模型图1所示。

图2 du93翼型网格划分

1.2 网格生成

如图2所示,以du93翼型为例,用ICEM生成48829个网格,其中边界层第一层厚度为0.000005m,网格增长率为1.1。

2 结果分析

2.1 沙子体积分数影响

图3分别是s803翼型在风速10m/s,沙子粒径为10μm的情况下,体积分数为1e-5,5e-5和1e-4的情况下周围压强分布图。从图中可以看出三种翼型前缘区域均存在一个高压区。下表面前缘均存在低压区,且区域的长度与沙子体积分数成正比,尾缘存在中压区,其气压高于其他部分。翼型上表面均被低压区覆盖,且压强由内向外呈渐次递增。其中,三种情况下叶片气压的最低区域均出现在从腐蚀点开始向尾部一段距离。由图3可知,该区域的大小与沙子的体积分数成正比。因此会对叶片的气动性能产生一定的影响。

图3 不同体积分数s803周围压强分布

图4分别为s803翼型在风速10m/s,沙子粒径10μm体积分数分别为为1e-5,5e-5和1e-4条件下沙子体积分数分布图。从图4中可以看出三种情况下,叶片的腐蚀点至尾缘区域因为沙粒无法附着而存在大量沙粒低浓度区域。沙子高浓度区域出现在叶片头部,主要因为撞击作用导致沙砾流速下降。但当沙子体积分数为1e-5时,翼型的高浓度区域较其他两种情况有明显增大,原因是沙砾的体积分数不够大,因此在叶片头部的撞击和减速效果没有其他两种情况强,这也将对翼型的气动性能产生影响。

图4 不同体积分数s803上沙粒分布

2.2 模型不同结果对比

图5分别是du93翼型、s802翼型和s803翼型在风速10m/s,沙子体积分数为1e-5的情况下周围压强分布图。从图5中可以看出三种翼型前缘区域均存在一个高压区。Du93翼型上表面存在小范围低压区域和大范围次低压区域,下表面同时存在一定范围的次低压区域。而s802和s803上下表面压强分布则大致相似,翼型上表面存在一定范围的低压区和次低压区,下表面则为中压区。

图6分别为风速10m/s,沙子粒径10微米且体积分数为1e-4条件下不同翼型的沙子体积分数分布图。从图中可以看出三种翼型从腐蚀点向尾缘方向存在大量低浓度沙子区域,主要原因为沙子在向下游流动过程中无法形成附着流动,在翼型中部甩出,从而导致翼型吸力面和压力面均存在低浓度分布区域。du93的低浓度区域略高于s802和s803,这与该翼型尾缘收敛较大这一结构特点有关。在前缘位置处,三种翼型上下表面均存在高浓度分布的区域,原因是沙子在流动到翼型前缘存在撞击作用,流速降低,部分沙子颗粒在壁面摩擦力作用下进一步降低流速,形成高浓度堆积区域。同时,s802和s803的下表面前缘均存在沙砾低浓度区,而du93下表面的低压区出现在后缘区域,这也将造成翼型气动性能的差异。

图6 不同翼型叶片上沙粒分布

2.3 粒径影响

图7分别是s802翼型在风速10m/s,沙子体积分数为5e-6,沙砾粒径分别为30μm,50μm和100μm的情况下叶片周围压强分布图。从图7可以看出三种翼型前缘区域均存在一个高压区,翼型的上表面几乎被压强渐次增强的低压区覆盖,翼型下表面的前缘出现低压区且尾缘部分的压强高于其余部分。总体上来看,三种情况下翼型的压强大小、压强分布区域且区域大小几乎没有区别,因此,沙砾的粒径对翼型周围的压强分布没有明显有影响。

图7 不同粒径s802周围压强分布

图8分别是是s802翼型在风速10m/s,沙子体积分数为5e-6,粒径为30μm,50μm和100μm的情况下周围沙砾浓度分布图。从图中可以看出三种情况下翼型前缘都存在沙砾高浓度区,但随着沙砾粒径的增大,高浓度区逐渐到达翼型中部及尾缘,而低浓度区随着高浓度区的延伸逐渐变小,当粒径为100μm时只存在于尾缘附近。因此猜测这将对风力机的气动性能产生一些影响。

图8 不同粒径s802上沙粒分布

2.4 升 力

通过对du93,s802和s803翼型在来流风速10m/s,粒径为10μm的情况下进行计算,其升力如表1所示。

表1 不同体积分数情况下升力统计表

由表1可知,在一定范围内,三种模型的升力随着体积分数增大而增加,且均呈线性增加,其中增幅最大的为s803,达到16.74%,最小的为du93,为14.62%。绘制折线图,如图9所示。

图9 不同体积分数下翼型升力图

通过对du93,s802和s803翼型在来流风速10m/s,体积分数为5e-6的情况下进行计算,其升力如表2所示。

表2 不同粒径情况下升力统计表

由表2可知,当粒径增大时,三种翼型所受升力均有略微下降,但幅度很小可忽略不计,绘制折线图,如图10所示。

图10 不同粒径下翼型升力图

3 结 论

在来流风速10m/s的工况下,通过改变沙粒的体积分数和粒径来研究对du93,s802和s803翼型升力的影响,结论如下。

(1)沙砾的体积分数会对翼型的气动性能产生影响,体积分数越大,翼型的升力越大,其中s803翼型升力增幅最明显,达到16.74%,du93翼型增幅最小,为14.62%。这说明气相粒子在风能作用下携带固相粒子与翼型前缘部分的相互作用是引起升力变化的主要原因。固相颗粒和前缘的碰撞会引起前缘压力分布的变化。颗粒之间的相互作用引起翼型附面层内流动的细观变化。

(2)沙粒的粒径对翼型的气动吸能有影响不大,粒径增大,翼型的升力略微减小。

(3)对于du93,s802和s803三种翼型,升力最好的是s803,其次是s802,du93最差。这与翼型结构有关,du93的前缘上升幅度和尾缘收敛幅度均较大而s802和s803翼型线条平缓。

(4)风沙运动是一种多尺度、多场耦合的非平衡态发展过程,存在显著的空间结构不均匀性,欧拉双流体模型在一定程度上可以有效地应用于风沙颗粒流体体系的动力学特性研究。