风力发电机叶轮的气动性能数值模拟研究.pdf

2 0 1 1 年 6月 第 3 9卷 第 1 l 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 l D o I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 2 9 风力发电机叶轮的气动性能数值模拟研究 代丹丹，孙文磊 ，赵群 新疆大学机械 工程学院，新疆乌鲁木 齐 8 3 0 0 4 7 摘要利用 C F D软件 F l u e n t 对风力机叶轮在额定风速下的气动性能进行数值模拟研究，通过仿真叶轮周围三维流场流 态 ． 得出叶片表面的压强分布、流速分布和速度矢量等流态图， 并计算出叶片受力和转矩 ，验证了风力机叶轮气动性能数 值模拟的可靠性，可为风力发电机叶片的优化设计提供技术参数和指导。 关键词风力发电机；气动性能； 数值模拟 中图分类号T P 3 9 1 ． 7 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 J 1 11 0 5 3 Th e Nume r i c a l Si mu l a t i o n o f Ae r o d y na mi c Pe r f o r ma nc e f o r W i nd Tur bi ne s ’Bl a de W h e e l D A I D a n d a n ． S U N We n l e i 。Z HA 0 Q u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i n j i a n g U n i v e r s i t y ，U r u mq i X i n j i a n g 8 3 0 0 4 7 ，C h i n a Ab s t r a c t F l u e n t ，t h e C F D s o f t w a r e ，w舳 u s e d f o r n u me ri c a l s i mu l a t i o n o f t h e a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e f o r w i n d t u r b i n e s ’ b l a d e wh e e l a t r a t e d w i n d s p e e d ．T h e v i s u al i ma g e s o f p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n，fl o w r a t e d i s t r i b u t i o n a n d v e l o c i t y v e c t o r o f t h e b l a d e we r e o b t a i n e d b y s i mu l a t i n g t h e 3 D fl o w fie l d a r o u n d b l a d e wh e e 1 ．T h e l o a d a n d t h e t o r q u e o n t h e b l a d e we r e c a l c u l a t e d ．Th e r e l i a b i l i t y o f t h i s n u me ri c al s i mu l a t i o n w a s v e ri fi e d ． S o me t e c h n i c al p ara me t e r s a n d i n s t r u c t i o n a l s u g g e s t i o n s a b o u t h o w t o d e s i g n t h e b l a d e we r e p r o - p o s e d ． Ke y wo r d s Wi n d t u r b i n e s ；Ae r o d y n am i c p e rf o r ma n c e ；Nu me ric al s i mu l a t i o n 目前世界上的风力发电机正朝着大型化、柔性化 方向发展 ，这使得气动问题成为风力发电机的一个重 要问题。研究叶轮的气动性能就是研究叶轮与空气来 流之间的相互作用，其中用到的基础理论是空气动力 学。在研究风力机的气动性能时，重点是建立风力机 的空气动力学模型，进而研究其空气动力学特性。目 前国内外在风力发电机气动分析方面已经有了比较成 熟的研究方法，主要有动量 一叶素理论、涡尾模型方 法和 C F D数值模拟方法。 作者运用 C F D软件 F l u e n t 对风力机叶轮在额定 风速下进行气动性能的数值模拟计算。首先是使用 U G软件建立风机的空气动力学模型，然后导入 F l u - e n t 软件中进行湍流模型和边界条件的设置，并仿真 叶片周围的三维风场流态。观察 叶片表面的压强分 布、流速分布和流速矢量等流态图，并计算出叶片受 力和转矩 ，验证了风力机叶轮气动性能数值模拟的可 靠性 。 1 C F D数值模拟技术 计算流体动力学 C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s ， C F D 是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础 之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和图 像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值 解，从而达到对物理 问题研究的 目的。C F D的基本 原理是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体 流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟 流体流动情况。 作者利用 F l u e n t 进行风力机数值模拟时选用 S S T k - a J 湍流模型，其全称是剪切应力输运 S h e a r - S t r e s s T r a n s p o r t ． 模型。S S T k - w模型是为了使标准 k - w 模型在近壁 面区有更好 的精度 和算 法稳定 性，由 M e n t e r 对 k - t o 模型进行改进而来的。S S T k - w湍流模 型的方法是在近壁面使用 k - w模型，而在边界层外 部使用 尼 ． ∞，在边界层内则混合使用这两种模型，并 根据一个混合加权函数 F l 的大小进行加权平均。S S T k - c o 湍流模型 的输运方程如下 。 k 方程 v ． P 一 V 【 V 叫 1 收稿 日期2 0 1 0 0 5 3 1 基金项目国家自然科学基金项 目 5 0 7 6 5 0 0 7 作者简介代丹丹 1 9 8 5 一 ，女，在读硕士，研究方向为 C A D ／ C A M及先进制造技术。电话1 5 9 9 9 4 5 7 4 2 0，Em a i l d a i d a n d a n l 1 0 5 s i n a ． c o rn。 1 O 6 机床与液压 第 3 9卷 ∞方程 V ， 一 卢 p 。 V 【 丝0 “ 1 ／ 2 1 p V 2 混合系数 F 定义为 t an{ { m i n f m a x ， ， 瓦 4 p k ～ 1 } 3 C D m a x f 2 p V ， 1 ． 0 1 0 。 4 、 c ， 其中Y为到最近壁面的距离，／ ,I 为运动黏度。方程 中的封闭系数为 0 ． 0 9 ，O ／ 5 ／ 9 ，卢 0 ． 0 7 5 ， 20 ． 4 4， 0 ． 0 8 2 8， l2， 12，Or腔 1， 1 ／ 0． 8 5 6。 由于原始 k - o J 模 型没有 考虑 湍流 剪应力 的输运 ， Me n t e r 认为这会导致对 于涡黏性 的过分估计 。因此他 提出应该使用以下公式对涡黏性进行限制。 湍流黏性系数为 0 ， ， c P i -- 其 中 Ⅱ I ／ x ／ p 6 F 2 ta n { [ m ax ， r 是类似于 F 。 的混合 函数，用来修正 F 在 自 由剪切流中的误 差。S是表示张力 的常量。此即以 k - t o 模型为基础的 S S T k - o J 模型。 2叶轮的空气动力学模型建立和参数设置 2 ． 1 风 力机叶轮及风场建模 文中研究 的对象是 7 5 0 k W 水平轴风力发电机 ， 额定风速 1 5 m ／ s ，额定转速 2 2 ． 3 r ／ ra i n ，三叶片。 在进行叶轮建模时，考虑到文中重点研究叶片的 气动性能，则不对叶片简化，叶片全长 2 3 ． 5 m，轮 毂简化 为圆球 ，风轮 直径为 4 8 ． 4 m。二者在 U G中完 成建模 和装 配后导入 G a m b i t 中使用 。 风场模型由包罗风轮的内部旋转域和外部风场组 成。因为叶轮上三叶片具有周期性，故在建立风场模 型时 ，只截取包含一个叶片在内的 1 ／ 3 个流场。坐标 原点在轮毂中心处。内部旋转域 的半径为 3 0 m，厚 度为 4 m。计算域如图 1 所示。外部风场的长度必须 足够，以保证模拟的实现。风场的宽度与高度需足以 包含整个叶片，即至少等于叶片长度。图中所示的流 场进口面中心点A离原点距离为叶片长度的3倍，出 口面 中心点 B离原点距 离为 叶片长度 的 1 0倍 ，外部 风场的半径为叶片长度的 5 倍。 图 1 叶片流场计算域 图 2 ． 2 网格 划分 划分网格时，先划分复杂曲面的网格再划分体网 格。面网格划分采用三角形非结构化网格，其中叶片 表面采用 S i z e F u n c t i o n方案 如图 2所示 ，使网格 大小渐进性地变化。体网格采用混合单元。网格划分 完毕后如 图 3所示 。 划 分 函数 f i x e d 比例 1 ． 2 最 小尺 寸 5 最大 尺 寸； 2 0 图 2叶片 面网格划分方 案 a 外部流场网格 b 内部 旋转 域 网格 图 3 叶片流场网格 2 ． 3 模 型参 数设 置 在数值模拟计算过程中采用分离隐式求解器 S e g r e g a t e d I m p l i c i t S o l v e r ，三维稳态流动，绝对速度。计 算模型采用 S S T k - t o 两方程模式。压力 一速度耦合采 第 1 1 期 代丹丹 等风力发电机叶轮的气动性能数值模拟研究 1 0 7 用 S I MP L E C算法 。动量 、湍流 动能采 用二阶迎风格式 处理 S e c o n d O r d e r U p w i n d 。连续性方程、各个运动 方程以及其他方程的计算收敛误差均设定为 0 ． 0 0 1 。 3叶轮的气动性能数值模拟 作者计算了风力机在平均风速为 1 5 m ／ s 下风轮 的流场 ，以下为数值模拟的结果。 3 ． 1 叶片周 围流场分析 从图4可以看到叶片周围的湍流强度分布情况 ， 风轮旋转时叶片后缘湍流强度最大，表明此处有涡旋 的存在 。 图4 0截面处的湍流强度分布 观察 图 5和 6可 知 ，叶 片迎 风 面所 受 风压 为 正 压，而背风面基本处于负压。由伯努利效应得知流 速越快，压力越低；流速越慢，压力越高。因而叶片 背风面风速大于迎风面风速。叶片迎风面压强高于大 气压产生压力，背风面压强低于大气压产生吸力。 Y 上z 图5 风力机叶轮迎风面风压等值线图 P a 图6 风力机叶轮背风面风压等值线图 P a 从图7中可以明显观察到翼型绕流现象，且背风 面风速大于迎风面风速。从图8中可以清楚看到迎风 面为压力面，背风面为吸力面，由此对翼型产生升 力，这也是叶片能够旋转的原因。 图7 0 ． 6 R截面处的相对速度矢量 n s 图 8 0 ． 6 R截面处的静态压强 P a 3 ． 2 风轮 受力和 转矩 在 F l u e n t 软件中可以计算得到风轮三坐标方向上 的受力和转矩。表 I中所列出的是文中所研究的 I ／ 3 叶轮上的受力和转矩。 表 1 1 ／ 3叶轮受力和转矩 如表 1所示 ， 轴受 阻力 ，采用完整的叶轮之 后 ， 轴的转矩将相互抵消；Y轴受的力是使风轮旋 转的有效力，产生有用转矩；z 轴受力最小 ，主要是 黏性力的作用。由右手法则确定 Y轴有用力矩的矢量 方向为 轴方向，则风轮转子的转矩为表 1中 轴方 向上 的力矩 。 3 ～风轮功率计算 风力机转子的输出功率计算公式为 PT N 2 1 r B ／ 6 0 8 式中P为输出功率 w ；T为转矩 N m ；N为 叶轮转速 r ／ m i n ；B为叶片数。经计算得出额定风 速下风轮的输出功率为 7 0 6 9 4 3 ． 5 5 7 2 W。输出功率 与设计功率很接近 ，可以看出设计的叶片基本满足总 体性能指标。 下转第 1 1 0页 一 4 3 2 2 1 5 {{4 4 { 1 1 0 机床与液压 第 3 9卷 3个调节器 A S R、A T R、A p s i R均为带输 出限幅 的 P I 调节器 ，转 子磁链 观 测器 使用 两相 同步旋 转 坐 标 系上的磁链模型 ，函数模块 F c n用于计算 电动机 的 电磁转矩 ，电动机调速系统仿真模型如图3所示。 对于定量泵模块，系统中采用比例增益环节实现 其由电动机转速到系统过滤流量的传递特性，该环节 的比例系数为定量泵排量。转速智能调节模块在仿真 系统中采用 M函数实现。滤芯压力检测值、定量泵 输出流量作为该模块的输入量 ，M 函数 中通过计算 压力和流量比值获得滤芯当前的阻力系数，监测阻力 系数当前值 并通过定时间隔检查阻力系数的变化量 ，确定电机 调速 部 分转 速期 望值 n 。系统滤 芯 局 部阻力系数上限警戒值记为 。 4 仿真条件及结果 仿真采用 的异 步 电动机 参数电动 机 3 8 0 V、 5 0 H z 、极对数 P2 、定子 绕组电阻 R 0 ． 4 3 5 Q、 L l 0 ． 0 0 2 m H，转子绕组电阻 R 0 ． 8 1 6 Q、L lr 0 ． 0 0 2 m H，L 0 ． 0 6 9 m H，J 0 ． 1 9 k g - m 。定 量泵 排量 q0 ． 0 6 9 4 I ／ r 。仿真开始时压力模块赋值为 0 ． 0 1 M P a ，滤芯 处于正 常工作状 态，n 初 始值 为 1 4 0 0 r ／ m i n ，t 2 s 时间内压力模块赋值不改变，系 统过滤流量 自动加 大 ，n 值设定 为 1 5 0 0 r ／ ra i n ，t 4 S 时压力检 测模 块赋 值上 升为 0 ． 3 M P a ，滤 芯阻 力系 数超过 ，n 变为 1 2 0 0 r ／ ra i n ，经调试 ，转速调节 器系数取值 为 k 3 ． 8 、k 。 0 ． 8 ，转矩调节器系数 取值为 k 4 ． 5 、j } 。 i 1 2 ，磁链调节器 系数取值 为 k 1 ． 8、 k。 i 1 0 0时 ，系统 有 良好 的 动静 态 特 性 ， 流量检测输 出如图 4所示 。 系统动力 源采用基于矢量控制变频调速方法 的异 步电动机，仿真测得其转矩 一转速特性曲线如图5所 示。可知 ，系统中的交流异步电动机调速特性与直流 电机调速特性相近，能够较好地满足实际工程要求。 ， 昌 删 煺 图4 流量输 出曲线 f ．皇 宝 商 瓣 图5 系统电机转矩 一 转速曲线 参考文献 【 1 】黎勉， 罗勇武， 查晓春， 等． 交流变频调速在液压系统中 的应用[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 7 6 l 51 6 ． 【 2 】 李文静 ， 熊光煜． 基于 M A T L A B的异步电动机矢量控制 变频调速系统 的仿 真 [ J ] ． 电力学 报， 2 0 0 6， 2 1 2 1 4 6 1 48． 【 3 】李华德． 交流调速控制系统[ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 2 1 3 1 1 3 7 ． 【 4 】 洪乃刚． 电力电子和电力拖动控制系统的 M A T L A B仿 真[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 2 0 5 2 1 3 ． 上接第 1 0 4页 可通过调节冷却水初始温度，有效地控制电主轴温 升 。 2 水道轴向尺寸变化对冷却水流动和电主轴 温升都有不同程度的影响。由于热量在径向方向上的 传导要 比在轴向方向上传导更快，当截面面积和流量 保持不变时，增大轴向尺寸 ，冷却水轴向方向上带走 的热量将增加。此外轴向尺寸增加也引起冷却水流动 时的雷诺数和湍流强度增大，湍流更强烈，最终也会 增强对流换热。 参考文献 【 l 】 杨军， 郭力 ， 卿红． 机床高速电主轴原理与应用 [ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 1 4 4 3 4 5 ． 【 2 】 南江， 周新民， 孙毅， 等． 立式加工中心电主轴的热分析 [ J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 9 7 1 0～1 2 ． 【 3 】伍良生， 罗吉成， 周大帅， 等． 高速高精密机床主轴温度 场的有限元分析[ J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 0 8 9 1 51 8 ． 【 4 1 杨世铭． 传热学基础[ M ] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 2 ． 上接 第 1 0 7页 4 结束语 由以上分析可以得出叶片迎风面边缘部分静态压 强最大，这里也是叶片容易损伤的部位。因此在对叶 片进行优化设计时，可以根据流场分析的结果找到最 大静态压强点的确切位置，改进该处的曲面曲率 ，使 该处的静压降低 ，进一步加强该处的结构设计 ，保证 叶片在风力机实 际运行 中的坚实性。另外通过得 出的 风轮受力和转矩 ，可以进一步计算风轮功率 ，以此来 验证所设计的叶片是否满足技术性能要求。由此可见 风力机流场数值模拟分析的重要性和价值。 参考文献 【 1 】 包飞． 风力机叶片几何设计与空气动力学仿真[ D] 。 大 连理工大学 ， 2 0 0 8 ． 1 2 5 65 7 ， 6 57 0 ． 【 2 】 王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 ． 9 1 1 7 ， 2 0 0～ 2 0 8 ． 【 3 】 张果宇 ， 蒋劲， 刘长陆． 风力发电机整机气动性能数值模 拟计算与仿真研究[ J ] ． 华东电力， 2 0 0 9 3 4 4 9 4 5 1 ． 吣如舳 邬柚如 加0