3MW風力機葉片的氣動特性

2017-04-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要: 建立3MW 風力發(fā)電機葉片的三維內、外流場模型,運用流體仿真軟件Fluent 仿真分析在隨機風速下,葉片周圍氣動流場狀態(tài). 對葉片進行優(yōu)化設計,通過對比分析葉片截面和葉片表面的流體流態(tài),發(fā)現(xiàn)在隨機風速作用下優(yōu)化后的葉片的失速程度有明顯的降低,表明優(yōu)化后的葉片氣動性能顯著提高. 為分析葉片優(yōu)化后風力機的功率特性,采用動力學分析軟件Simpack 建立風力發(fā)電機的整機模型,聯(lián)合TurbSim 生成風文件對葉片加載,仿真分析得到風輪的功率,分析結果表明風力機功率達到設計要求.

關鍵詞: 葉片氣動特性; 三維流場; 功率

0 引言

葉片是風力機組中最關鍵的部件之一,其良好的氣動性能是葉片風能有效利用的保證[1],通過氣動性能分析,能比較準確地模擬風場的流動狀況,為葉片優(yōu)化設計提供參考數(shù)據(jù). 而葉片周圍旋轉流場是三維的,只對葉片做二維翼型的氣動性能模擬,不能精確分析葉片的流動氣動流場情況.

本文運用流體軟件Fluent 對葉片進行仿真,觀察葉片周圍流體流態(tài),并對葉片進行優(yōu)化設計,使葉片周圍流場分布合理,并利用動力學分析軟件Simpack 建立風力機整機模型,聯(lián)合TurbSim生成的風文件對葉片進行加載,結果表明利用Fluent 仿真是可信的,驗證了優(yōu)化設計后的風輪的功率滿足設計功率.

1 葉片流場仿真分析

1. 1 流場計算域的劃分

采用HyperMesh 建立葉片的流場模型. 將流場的計算域劃分成內、外流域兩部分[2],如圖1 所示. 風輪半徑為R,計算域的具體尺寸為: 內流域半徑R1 = 1. 5R; 外流域半R2 = 3R; 上風向長度L入= 5R; 下風向的長度L出= 10R.

由于葉片是高速旋轉的,內流域空氣流動速度梯度大,對葉片流場流態(tài)影響明顯,而外流域影響較小,因此,需要對內流域網(wǎng)格進行較密的劃分,對外流域網(wǎng)格做較疏的劃分,這樣可以減少計算時間,避免資源浪費,葉片流場網(wǎng)格模型如圖2 所示.

1. 2 邊界條件設定

根據(jù)3MW 風力機機組運行工況,對流場模型的邊界條件進行設置: 進口邊界采用速度進口;出口邊界設置為壓力出口; 內流域為旋轉域,旋轉軸為X 軸,利用滑移網(wǎng)格,用右手定則確定方向;葉片壁面,設置為旋轉壁面,相對旋轉速度為0;外流域靜止.

1. 3 葉片表面氣動流場分析

來流風速度分別設定為4 、8 、12 、18 和25 m/s,5 種工況,葉片流場如圖3( a) 、( b) 、( c) 、( d) 、( e) 所示.

當來流風速度為4 m/s 時,即在切入工況下,由圖3( a) 可知,葉片吸力面總體上有較好的二維流動. 在靠近葉根部分,葉片的空氣流動發(fā)生了局部分離,并且從葉根向葉中區(qū)域延伸,形成一條分離線,在葉根附近趨于葉片尾緣處,氣流流動有明顯的三維漩渦.

當來流風速度為8 m/s 時,由圖3( b) 可以看出,三維漩渦效應由葉根尾緣附近移動到葉根前緣附近; 在r /R < 47% 部分,流場流態(tài)基本上呈現(xiàn)出完全分離的狀態(tài),而在r /R = 47% 葉展處,形成一條分離線,且從葉中區(qū)向葉尖區(qū)域移動,逐漸靠近尾緣,最后在葉尖附近與葉片尾緣重合.

當來流風速度為12 m/s 時,即額定來流工況,如圖3( c) 所示,此時在r /R < 80% 部分,吸力面表面的流動已經(jīng)完全分離,在r /R = 80% 葉展處,形成一條分離線,不斷沿葉尖方向延伸,在r /R = 95% 葉展處分離線與尾緣重合.當來流風速度為18 m/s 時,如圖3( d) 所示,在r /R < 95% 葉片表面發(fā)生完全分離,在r /R >95% 葉展區(qū)域靠近葉片前緣處流體有少許的附著,在r /R = 95% 的葉展區(qū)域,形成一個小的漩渦.

當來流風速度為25m/s 時,在切出工況下,如圖3( e) 所示,分離區(qū)域已經(jīng)發(fā)生在葉片的整個吸力面上,此時葉片表面的流動情況復雜,失速現(xiàn)象嚴重.

由上述5 種工況,可以看出,失速現(xiàn)象的發(fā)生是隨高度的增加,從葉根區(qū)域開始逐漸向葉尖方向延伸,且來流風速越大,失速情況越嚴重.切入工況時,分離流只發(fā)生在葉片中部區(qū)域以下,葉片中部以上至葉尖區(qū)域,還有完整的附著流,形成良好的二維流動; 從8 m/s 開始,葉片中間部分也開始有分離產(chǎn)生,而葉根附近已經(jīng)有完全分離的跡象; 12 和18 m/s 時,完全分離逐漸向葉尖發(fā)展; 25 m/s 切出來流工況下,失速現(xiàn)象嚴重,分離流發(fā)生在整個葉片上.

1. 4 葉片截面氣動流場分析

葉片表面流線圖( 圖3) 雖然可以反應出葉片表面二維流體流態(tài),卻不能反應出三維流場的狀態(tài),因此,還需要分析葉片截面流體流態(tài),以查看葉片表面流體流動分離、附著及漩渦狀態(tài). 設定來流風速為4、8、12 、18 和25 m/s,5 種工況,葉片截面流場如圖4、6 —— 9 所示.

從二維翼型的理論分析,如式( 1) 所示,當攻角超過失速攻角αs發(fā)生失速時,升力會隨著升力系數(shù)Cl的減小而上升,即翼型上方氣流分離程度降低,分離渦變小,失速現(xiàn)象減弱.

式中,FL為翼型所受升力; ρ 為來流密度; c 為翼型的弦長; Cl為升力系數(shù).

理論上,Cl隨攻角α 的變化如圖5 所示,在失速區(qū),升力系數(shù)隨公角的增大而減小.

而在實際的繞流中,r /R = 30% 截面翼型的攻角大于r /R = 47% 截面翼型的攻角,而吸力面尾緣的分離渦卻比r /R = 47% 截面小,這是主要是由于在葉根區(qū)域葉片旋轉效應引起了失速延遲[3].

當來流風速為8 m/s,由圖6 可知,在r /R =30%、r /R = 47%、r /R = 63% 和r /R = 80% 四個截面吸力面尾緣附近均有分離渦存在. 且從r /R= 30% 截面到r /R = 47% 截面,吸力面尾緣附近的分離渦逐漸變大,分離程度逐漸增加,到r /R =47% 截面分離渦已經(jīng)發(fā)展到整個吸力面,并且截面呈現(xiàn)出雙分離渦狀態(tài).

當來流風速為12 m/s,即額定工況下,由圖7可知,選取的四個截面的分離程度加大,分離渦面積明顯增加. 從r /R = 30% 截面到r /R = 63% 截面的分離渦都表現(xiàn)為雙渦狀態(tài).

當來流風速為18 m/s,由圖8 可知,截面分離狀態(tài)繼續(xù)加大,在其它四個截面,分離渦已經(jīng)完全占據(jù)了葉片吸力面.

當來流風速為25m/s,即切出的工況下,由圖9 可知,整個葉片吸力面均發(fā)生分離,葉片各截面已經(jīng)進入完全失速狀態(tài).

1. 5 葉片翼型優(yōu)化

通過對比上述葉片表面及截面的流體流態(tài),可知在隨機風速作用下葉片失速現(xiàn)象嚴重,不具有較好的氣動特性,需要對翼型進行優(yōu)化.采用正交試驗方法對翼型進行優(yōu)化設計,選取翼型的厚度所在弦長的位置、前緣半徑、彎度三

種因素.

為了減少試驗次數(shù),實驗因素水平一般以2~ 4 為宜[4]. 本試驗選用因素的水平數(shù)為3,以最大升力系數(shù)( yi)1,最大升助比( yi)2為評價指標.最后利用極差法分析實驗結果,確定因素的主次和最優(yōu)組合. 如表1,表2 所示為因素水平表和試驗結果分析表.

1. 6 優(yōu)化后葉片氣動流場分析

來流風速度分別設定為4、8、12 、18 和25m/s,5 種工況,優(yōu)化后葉片流場如圖10( a) ~ ( e) 所示.由圖( a) ~ ( c) 可知,在風速小于12 m/s 即額定風速條件下,只有在靠近葉根附近的區(qū)域,流線發(fā)生了沿著展向方向移動,發(fā)生分離,在葉片其他部分,流線分布與弦線方向平行,空氣完全附著,葉片失速程度較優(yōu)化前明顯減弱,氣動性能提高. 隨著風速逐漸增大到18、25 m/s,流動分離線逐漸往葉尖方向擴展,與優(yōu)化前相比沒有在整個葉片上發(fā)生嚴重失速.

與圖10( c) 對應,當來流風速為12 m/s,即額定工況下,由圖11 可知,分離渦出現(xiàn)在r /R =30% 和r /R = 47% 兩個截面處,在其他截面沒有明顯的分離渦存在. 表明風力機葉片周圍空氣附著良好,優(yōu)化后的葉片失速程度明顯降低,具有良好的氣動性能.

2 風力機輸出功率特性分析

為研究優(yōu)化后風力機輸出功率變化,并驗證fluent 仿真的可靠性,在Simpack 中分別建立葉片優(yōu)化前后整機模型,對風力機輸出功率特性進行仿真分析,運用TurbSim 模擬輪轂處平均風速為4,8,12,18 和25 m/s 的隨機風場,生成風文件.Simpack 通過空氣動力學軟件AeroDyn,輸入風場文件,生成力元[5],完成對風力機加載.

如圖12 知,在額定風速范圍之內,隨著風速V 的增大,風力發(fā)電機輸出功率P 也在增大. 當達到額定風速時,優(yōu)化前風力機輸出功率為2. 4MW,優(yōu)化后機組輸出功率滿足設計要求,為3. 1 MW. 并且利用simpack 軟件仿真出的風力機功率與fluent 中仿真得到的功率基本一致.

3 結論

( 1) 以一種3MW 翼型葉片為基礎,建立葉片幾何模型,利用流體仿真軟件Fluent 分析葉片在隨機風速條件下的氣動特性,得到了葉片周圍流場分布狀況,并與葉片幾個截面周圍流場進行對照,分析結果表明葉片在三維旋轉條件下存在較嚴重失速;

( 2) 在保證葉片輸出功率的前提下,利用正交試驗方法對翼型進行優(yōu)化設計,并且分析了由優(yōu)化后的翼型形成的葉片表面及截面在在隨機風速下流體的流態(tài),分析結果表明,優(yōu)化后的葉片的失速程度明顯的降低,氣動性能顯著提高;

( 3) 采用Simpack 和TurbSim 軟件,建立了風力機整機模型并對葉片進行加載,分析了翼型優(yōu)化前、后風力機機組在隨機風作用下的輸出功率,優(yōu)化后的輸出功率達到設計要求,并對比Fluent仿真分析的結果,兩者有良好的一致性,證明了輸出功率結果是可信的.

作者:單麗君,劉遠

大連交通大學機械工程學院

參考文獻:

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[2]曲佳佳. 風力機葉片氣動載荷的計算方法研究[D] .北京: 中國科學院工程熱物理研究所, 2014.

[3]伍艷,王同光. 三維旋轉效應對葉片非定常氣動特性的影響[J]. 南京航空航天大學學報,2005,37 ( 2) :178-182.

[4]任露泉. 試驗優(yōu)化設計與分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003: 19-21.

[5]周素霞,陶永忠,張志華,等. simpack 9( 上) 實例教程[M]. 北京: 聯(lián)合出版公司, 2013: 1-30