水平轴风力机叶片表面积灰厚度对三维气动特性影响的数值模拟.pdf

3 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ．1 1， 2 01 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 1 1 0 0 3 2 0 6 水平轴风力机叶片表面积灰厚度对三维气动 特性影响的数值模拟 吴小飞， 唐胜利 ， 周文平 重庆大学， 重庆4 0 0 0 3 0 摘要 采用数值模拟方法分析了叶片表面积灰厚度对风力机三维气动特性的影响。首先， 采用 C F D软件包 F I N E 一 T U R B O建立风力机的三维模型， 模拟叶片表面光滑的情况下风力机的三维气动特性， 并与文献实验数据进行比较 ， 验 证了该模型的有效性。然后模拟了积灰厚度变化对风力机三维气动特性的影响， 得到了不同积灰厚度下叶片的压力分 布、 速度分布的变化。结果表明， 叶片表面积灰厚度对风力机叶片气动特性有较大影响 随着积灰厚度的增加， 叶片两侧 大部分区域风速减小， 气流运动无规律性增强 ， 压力面与吸力面压差减小， 风力机效率降低。 关键词 风力机 ； 数值模拟； 三维气动特性； 积灰厚度 中图分类号 T K 8 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 0 7 Nu me r i c a l S i mu l a t i O n O f t h e Ef f e c t O f I u s t Th i c k n e s s o n Th r e e ． d i me n s i o n a l Ae r o d y n a mi c Pe r f o r ma n c e o f HAW T W U Xi a o f e i ， TANG S h e n g- l i ， ZHOU W e n pi n g C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 3 0， C h i n a Ab s t r a c t Nu me ri c al i n v e s t i g a t i o n s o n t h e e ff e c t o f b l a d e s u rf a c e d u s t t h i c k n e s s ，O i l t h e t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e w a s p e rf o r me d ．F i s r t l y ，t h e e s t a b l i s h me n t o f a t h r e e d i me n s i o n al mo d e l of t h e w i n d t u r b i n e b a s e d o n a h o ri z o n t a l wi n d t u r b i n e a n d s i mu l a t e d t h e t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e rfo rm a n c e of t h e wi n d t u r b i n e b a s e d o n s mo o t h s u rfa c e s of b l a d e s a n d c o mp a r e d w i t h t h e e x p e ri me n t a l d a t a t o v e ri f y t h e v a l i d i t y o f t h e mo d e 1 ．T h e n，s i mu l a t e d t h e e f f e c t of d i f f e r e n t d u s t t h i c k n e s s a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l o p e r a t i n g s i t u a t i o n o f the t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e a n d c a l c u l a t e d the p r e s s u r e a n d v e l o c i - t y d i s t rib u t i o n a c c o r d i n g d i ff e r e n t d u s t t h i c k n e s s ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t d u s t t h i c k n e s s h a d g r e a t e ff e c t o n t h e t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e rfo rm a n c e of wi n d t u r b i n e ．W i t h t h e d u s t t h i c k n e s s i n c r e a s i n g ，t h e w i n d s p e e d o n b o t h s i d e s o f b l a d e s r e d u c t e d o b v i o u s l y， t h e i r r e g u l a r of a i r fl o w i n c r e a s e d，t h e p r e s s u r e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e p r e e s u r e s i d e a n d s u c t i o n s i d e d e c r e a s e d a n d t h e e f f i c i e n c y o f wi n d t u r b i n e d e c r e a s e d a c c o r d i n g l y ． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ；n u me ri c a l s i mu l a t i o n；t h r e e d i me n s i o n a l a e r o d y n a mi c p e rfo rm a n c e ；d u s t t h i c k n e s s 1 引言 风能作为可再生能源中最具代表性的一种， 不仅对环境保护 、 改善能源结构和减少对 常规能 源的依赖等方面有重要的意义， 更重要的是大规 模开发利用风能的技术已经非常成熟。由于风能 是一种低密度能源， 所以提高风力机运行效率变 收稿 日期 2 0 1 01 20 7 修稿 日期 2 0 1 1- 0 1 3 0 基金项 目 重庆市科委自然基金资助项 目 C S T C ， 2 0 0 6 B A 3 0 2 3 得至关重要， 其中如何防止风力发电机叶片在实 际运行环境中气动性能下降是一个重要的方向。 当风力机运行在 自然环境中， 叶片表面经常经常 有较多的污垢和杂质 ， 可能会 引起风力机效率下 降⋯。对于这些问题， 应从理论上进行深入细致 的研究， 同时有必要进行数值模拟方面的研究， 为 理论研究和风力机机实际运行提供有效的指导。 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 1期 流体机械 3 3 国内外对叶片表面积灰对其气动特性性能的 影响进行了相应研究 ， 并得 到了相关理论和试验 结果 “] 。文献 [ 2 ] 对翼型表面增加粗糙带进行 了初步的计算， 分析了表面粗糙度对翼型性能的 影响。文献 [ 3 ] 对翼型表面积灰引起的粗糙度变 化对气动性能的影响进行 了初步模拟。文献 [ 4 ] 研究了叶片表面积灰形成机理 ， 并对 叶片表面积 灰对发电效率的影响进行了初步的实验研究。综 合 以前对积灰引起粗糙度变化对气动特性影响这 方面的实验研究和数值模拟， 发现这方面的研究 还远远不够 ， 尤其缺少叶片表面积灰厚度对气动 特性的三维数值模拟。所以本文为能够更全面的 了解风力机在运行期 间， 积灰厚度对 叶片气动性 能的影响， 利用 N U M E C A的 F I N E Ⅲ 一T U R B O软 件包对一水平轴风力机在几个典型积灰厚度下叶 片的三维绕流细节进行模拟 。 2 风力机参数 本文所研究的水平轴风力机具体几何尺寸列 于表 1 ， 该风力机是荷兰代尔夫特理工大学的实 验风力机， 风力机的物理模型可见文献[ 6 ] 。 表 1 风力机几何尺寸 项目 数值 翼型 N A C A 0 0 1 2 叶片半径 R m 0 ． 6 叶片根部半径 3 0 ％叶高 弦长 C m 0 ． 0 8 固定值 叶片长度 m 0 ． 4 2 0 ． 3 ≤r ／ R≤0 ． 9时 ， 叶片扭角 0 r ／ R 60 一6 ． 6 7 r ／ R ； 0 ． 9r ／ Rl时， r ／ R 0 L in 代尔夫特理工大学和马耳他大学的风洞试验 室对该风力机进行 了大量 的吹风试验 ， 得 到了完 整的一套风力机吹风试验 数据 ， 用于对 比的试验 数据参考文献 [ 6， 7 ] 。 重网格迭代加速以及低速流动的预处理技术等。 选用湍流模型为一方程 S p a l a r t A l l m a r a s 、 两方程 k一‘ 1 S h e a r S t r e s s T r a n s p o r t 模型。 8 J 3 ． 1 网格 生成 三维网格通过嵌入在该软件包内的风力机网 格 自动生成器 A u t o G r i d 5生成 ； 通过导人几何 、 给 定叶片数 目、 转速 、 计算域大小和网格分布 ， 即可 以完成风力机流场 网格 的生成和边界条件 的设 定 。整个网格在流动方向上呈现为 O 4 H布局 ， 如 图 1 所示。在计算域 的进 口给定速度边界条件 ， 通过给定入 口的速度分布来模拟叶片旋转时的绕 流流场 。 所有网格总数大约为2 0 0万如图 1 所示， 其 中翼型弦向网格数为 1 3 5 ， 叶片展向网格数为 6 7 ； 叶片表面大部分 区域 Y 小于 2 。其 中在采用 N s方程模拟粘性流动时， 需要估计一个合适的 Y ， 其计算式为 6 i y 1 图 1 计算域示意及网格结构 3 ． 2 边界条件及定解准则 进 口边界给定速度分量 和大气温度， 出口边 界给定大气压力 ， 叶片表面是无滑移边界 ， 轮毂表 面是滑移边界。残差下降 3 个数量级及以上作为 收敛条件。 3 数值方法 4 无积灰工况下的模拟 采用 N u me c a的 F I N E 一T U R B O软 件 包。 该软件采用时间相关法求解雷诺数平均的 N a v i e r 为了验证数值模拟的有效性， 分别计算了来 一 S t o k e s 方程， 中心节点的有限体积法离散， 显式 流风速 5 ． 5 m ／ s 下， 不同叶高处的压力分布和诱 R u n g e K u t t a 法求解， 全多重网格初场处理和多 导速度， 并与试验平均值进行比较。 FLUI D MACHI NERY 4 ． 1 r玉力分 枣 分别计算 了 3 0 ％叶高 、 6 0 ％叶高和 9 0 ％叶高 处压力分布 ， 并与试验平均值进行 比较 ， 如图 2所 示 。 1 01 0 00 l 00 2 00 l 0 28 鲁1 0 1 2 9 96 0． 0 0 ． 5 1 ． 0 a3 O ％尺 l O3 5 1 01 5 9 95 0． 0 0． 5 1 ． 0 b6O ％R 0 0． 6 l 、9 0％R 图 2 叶片不 I司截面上压力 的计算结果与试验结果的比较 由图 2叶片不同截面上压力的计算结果与实 验结果的比较 ， 可知模拟出来 的压力分布与试验 数值吻合得很好 ； 除了， 在 3 0 ％ 和 6 0 ％ 叶高截面 过高地估计了压力面最 内侧部分的压力值以及在 3 0 ％和 9 0 ％ 叶高截面稍微过低地估计 吸力 面最 内侧部分的压力值。从结果 可得 数值模拟结果 与试验值吻合很好， 即使在叶尖和叶根处， 最大误 差也不超过 3 ％ 。 4 ． 2 诱导速度分布 根据涡流理论， 叶轮旋转工作时， 流场并不是 简单的一维定常流动， 而是一个三维流场， 理论考 虑风轮后涡流流动并假设 1 忽 略叶片翼 型阻 力和叶梢损失 的影 响； 2 忽略有 限叶片数 对气 流的周期性的影响； 3 叶片各个径向环断面之 间相互独立 。因此涡流引起的风速可看成是由下 列3个涡流系统叠加的结果 1 中心涡， 集中在 转轴上； 2 每个 叶片的附着涡； 3 每个叶片尖 部形成 的螺旋涡。正 因为涡系的存在 ， 流场 中轴 向和轴 向的速度变化 ， 即引入诱导 因子 轴 向干 扰因子和周 向干扰 因子 。诱导因子与来流风速 的乘积即是诱导速度。 换句话说 ， 叶轮对流经气流的诱导转动效应 ， 使来流通过叶轮后风速会 减小 ， 其来流风速的减 小量就是诱导速度包括轴向和周 向两个分量 。其 物理意义是气流通过风轮时， 风轮对气流速度的 影响程度 ； 其作用是 叶片处诱导速度直接确定 叶 片升力系数和阻力系数 ， 表征叶片的气动特性水 平 ， 是风力机气动性能分析的重要参数 。 根据数值模拟结果， 在叶片上游或下游某 r ／ R一定的圆上 ， 轴向速度沿方位角的变化规律如 图 3所示 坐标表示方位角 。 图 3 某地速度 分布不意 叶片通道处的速度计算式为 2 叶片处的轴 向速度 即可 以根据上 、 下游处的 速度分布插值得到 。本 文以叶片上游 5 c m和下 游 7 c m处的轴向速度 ， 则 I Y 。 一 坐 3 叶片处轴向诱导速度就可以由来流风速减去 叶片当地的平均速度得到， 即 诱 导 流一 I 。 4 从图 4当地轴向诱导速度与试验值 比较可以 看出数值模拟可很好地预测风力机叶片附近轴向 诱导速度分布， 除在接近叶顶位置稍微过高地估 计诱导速度。总结 ， 数值模 拟结果与试验值 吻合 很好 ， 即使在 叶尖 和叶根处， 最大误差也不超过 5％ 。 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1期 流体机械 3 7 从图9各积灰厚度下不同叶高处压力分布云 图可以得 到 随着积灰厚度 的增大 ， 吸、 压力两侧 压力变化加大， 尤其是吸力侧； 两侧大部分区域压 力增大 ， 压力侧最大压力值也增大但吸力侧最小 压力值变小 ； 对两侧压力变化影 响不一 ， 吸力侧的 影响明显强于压力侧 。 从图 1 0各积灰厚度下升力系数变化 图可知 ， 随着积灰厚度的增大， 在相同叶高处叶片截面的 升力系数减小， 并且叶尖的减小量大于叶根部分。 并且根据计算在 0 ． 1 mm、 0 ． 2 ra m积灰厚度下功率 分别下降了 1 2 ． 7 4 ％和 2 7 ． 3 3 ％。 索 0 ． 3 O ． 6 0 ． 9 r i R 图 1 0 各积灰厚度 F 升力 系数 变化 综上所有结果与分析归纳得 随着叶片表面 的积灰厚度增大， 引起 叶片两侧大部分 区域风速 降低 、 气流运动无规律性增大 ， 从而使两侧的压力 梯度变陡 ， 大部分区域压力变大 ， 但是 由于对吸力 侧的影响更大， 从而吸力侧压力提高更多， 使两侧 的压差减小 ， 导致 叶片压力系数降低。 5 ． 2 理 论 分析 风力发电机风轮的旋转运动带动发 电机 ， 把 机械能转化为电能 ， 而风轮的旋转运动是在升力 的作用下产生的。作用在翼叶上的升力是由在翼 型表面存在的速度环量造成的。 由于翼型表面形 状的干扰 ， 作 用在翼 型表 面 上的空气压力是不均匀的。翼型的上表面压力低 于周围气压 ， 称为吸力面 ； 下表面压力高于周 围气 压， 称为压力面。由伯努利理论 ， 翼型上表面的气 流速度较高， 下表面的气流速度较低， 形成一个环 绕翼型流动的环流 。环流的存在导致了叶片的工 作， 风轮是依靠作用在压力中心点的升力使风轮 在安装平面内运动的。而叶片表面积灰对风力机 气动性能即叶片升力有两方面的影响 1 叶片积灰提高叶片表面的粗糙度， 从而 导致风力机气动性能的下降。其中表面粗糙度的 加大 ， 由于吸力侧的风速相对压力侧更高 ， 对吸力 侧风速的影响更明显、 风速降低程度更明显， 使得 吸力侧的压力升高程度甚于压力侧的压力提高， 最终导致诱导速度降低、 风力机的气动性能下降。 2 积灰后 改变了翼型形状 ， 使得经过优化 设计 的翼型发生改变。对于这方面的影 响， 需要 进一步对翼型的气动特性做研究。 6结论 本文采用 C F D软件包 F I N E T M T U R B O模 型 ， 以一水平轴风力机为研究对象 ， 在来流速度为 5 ． 5 m ／ s 的工况下模 拟 了叶片表面光 滑和各 不 同 积灰厚度下的风力机 叶片三维绕流细节 ， 得到主 要结论如下 1 数值模拟方法可 以准确地模拟该风力机 叶片无积灰情况 的三维绕流 ， 所得 的结果与试验 数据很吻合。 2 叶片表面积灰降低了叶片两侧大部分区 域的风速 ， 增大气流运动的无规律性 ， 两侧的速度 和压力变化梯度增大。 3 叶片表面积灰对吸力侧 的影 响大于压力 侧 ， 使吸力侧压力增大值大于压力侧 ， 从而压力面 与吸力面的压差减小 ， 压力系数也减小 ， 导致风力 机效率下降 ， 在 0 ． 2 mm积灰厚度下风力机效率下 降了 2 7 ． 3 3 ％。 本文只对该问题进行了三维的数值模拟和初 步分析 ， 还需要在理论上和试验上进行系统研究 和分析 ， 在实验验证和探索机理方面还需要进一 步深入。 参考文献 [ 1 ] H u o F u p e n g ， L i Y u h o n g ， C h e n Z u o y i ．S u g g e s t i o n s f o r i m p r o v e w i n d t u r b i n e b l a d e c h a r a c t e ri s t i c s [ J ] ． Wi n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 1 ， 2 5 2 1 0 5 1 1 4 ． [ 2 ] H o n k i n g Z ， F a n j u a n M， Z u o y i C ．A n u me ri c a l i n v e s - t i g a t i o n o f t h e e f f e c t o n a i rf o i l l i f t d r a g r a t i o of l o c a l l y e n h a n c e d s u rf a c e r o u g h n e s s [ J ] ． Wi n d E n gi n e e r i n 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