3MW风力机叶片的气动特性

2017-04-21 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要: 建立3MW 风力发电机叶片的三维内、外流场模型,运用流体仿真软件Fluent 仿真分析在随机风速下,叶片周围气动流场状态. 对叶片进行优化设计,通过对比分析叶片截面和叶片表面的流体流态,发现在随机风速作用下优化后的叶片的失速程度有明显的降低,表明优化后的叶片气动性能显著提高. 为分析叶片优化后风力机的功率特性,采用动力学分析软件Simpack 建立风力发电机的整机模型,联合TurbSim 生成风文件对叶片加载,仿真分析得到风轮的功率,分析结果表明风力机功率达到设计要求.

关键词: 叶片气动特性; 三维流场; 功率

0 引言

叶片是风力机组中最关键的部件之一,其良好的气动性能是叶片风能有效利用的保证[1],通过气动性能分析,能比较准确地模拟风场的流动状况,为叶片优化设计提供参考数据. 而叶片周围旋转流场是三维的,只对叶片做二维翼型的气动性能模拟,不能精确分析叶片的流动气动流场情况.

本文运用流体软件Fluent 对叶片进行仿真,观察叶片周围流体流态,并对叶片进行优化设计,使叶片周围流场分布合理,并利用动力学分析软件Simpack 建立风力机整机模型,联合TurbSim生成的风文件对叶片进行加载,结果表明利用Fluent 仿真是可信的,验证了优化设计后的风轮的功率满足设计功率.

1 叶片流场仿真分析

1. 1 流场计算域的划分

采用HyperMesh 建立叶片的流场模型. 将流场的计算域划分成内、外流域两部分[2],如图1 所示. 风轮半径为R,计算域的具体尺寸为: 内流域半径R1 = 1. 5R; 外流域半R2 = 3R; 上风向长度L入= 5R; 下风向的长度L出= 10R.

由于叶片是高速旋转的,内流域空气流动速度梯度大,对叶片流场流态影响明显,而外流域影响较小,因此,需要对内流域网格进行较密的划分,对外流域网格做较疏的划分,这样可以减少计算时间,避免资源浪费,叶片流场网格模型如图2 所示.

1. 2 边界条件设定

根据3MW 风力机机组运行工况,对流场模型的边界条件进行设置: 进口边界采用速度进口;出口边界设置为压力出口; 内流域为旋转域,旋转轴为X 轴,利用滑移网格,用右手定则确定方向;叶片壁面,设置为旋转壁面,相对旋转速度为0;外流域静止.

1. 3 叶片表面气动流场分析

来流风速度分别设定为4 、8 、12 、18 和25 m/s,5 种工况,叶片流场如图3( a) 、( b) 、( c) 、( d) 、( e) 所示.

当来流风速度为4 m/s 时,即在切入工况下,由图3( a) 可知,叶片吸力面总体上有较好的二维流动. 在靠近叶根部分,叶片的空气流动发生了局部分离,并且从叶根向叶中区域延伸,形成一条分离线,在叶根附近趋于叶片尾缘处,气流流动有明显的三维漩涡.

当来流风速度为8 m/s 时,由图3( b) 可以看出,三维漩涡效应由叶根尾缘附近移动到叶根前缘附近; 在r /R < 47% 部分,流场流态基本上呈现出完全分离的状态,而在r /R = 47% 叶展处,形成一条分离线,且从叶中区向叶尖区域移动,逐渐靠近尾缘,最后在叶尖附近与叶片尾缘重合.

当来流风速度为12 m/s 时,即额定来流工况,如图3( c) 所示,此时在r /R < 80% 部分,吸力面表面的流动已经完全分离,在r /R = 80% 叶展处,形成一条分离线,不断沿叶尖方向延伸,在r /R = 95% 叶展处分离线与尾缘重合.当来流风速度为18 m/s 时,如图3( d) 所示,在r /R < 95% 叶片表面发生完全分离,在r /R >95% 叶展区域靠近叶片前缘处流体有少许的附着,在r /R = 95% 的叶展区域,形成一个小的漩涡.

当来流风速度为25m/s 时,在切出工况下,如图3( e) 所示,分离区域已经发生在叶片的整个吸力面上,此时叶片表面的流动情况复杂,失速现象严重.

由上述5 种工况,可以看出,失速现象的发生是随高度的增加,从叶根区域开始逐渐向叶尖方向延伸,且来流风速越大,失速情况越严重.切入工况时,分离流只发生在叶片中部区域以下,叶片中部以上至叶尖区域,还有完整的附着流,形成良好的二维流动; 从8 m/s 开始,叶片中间部分也开始有分离产生,而叶根附近已经有完全分离的迹象; 12 和18 m/s 时,完全分离逐渐向叶尖发展; 25 m/s 切出来流工况下,失速现象严重,分离流发生在整个叶片上.

1. 4 叶片截面气动流场分析

叶片表面流线图( 图3) 虽然可以反应出叶片表面二维流体流态,却不能反应出三维流场的状态,因此,还需要分析叶片截面流体流态,以查看叶片表面流体流动分离、附着及漩涡状态. 设定来流风速为4、8、12 、18 和25 m/s,5 种工况,叶片截面流场如图4、6 —— 9 所示.

从二维翼型的理论分析,如式( 1) 所示,当攻角超过失速攻角αs发生失速时,升力会随着升力系数Cl的减小而上升,即翼型上方气流分离程度降低,分离涡变小,失速现象减弱.

式中,FL为翼型所受升力; ρ 为来流密度; c 为翼型的弦长; Cl为升力系数.

理论上,Cl随攻角α 的变化如图5 所示,在失速区,升力系数随公角的增大而减小.

而在实际的绕流中,r /R = 30% 截面翼型的攻角大于r /R = 47% 截面翼型的攻角,而吸力面尾缘的分离涡却比r /R = 47% 截面小,这是主要是由于在叶根区域叶片旋转效应引起了失速延迟[3].

当来流风速为8 m/s,由图6 可知,在r /R =30%、r /R = 47%、r /R = 63% 和r /R = 80% 四个截面吸力面尾缘附近均有分离涡存在. 且从r /R= 30% 截面到r /R = 47% 截面,吸力面尾缘附近的分离涡逐渐变大,分离程度逐渐增加,到r /R =47% 截面分离涡已经发展到整个吸力面,并且截面呈现出双分离涡状态.

当来流风速为12 m/s,即额定工况下,由图7可知,选取的四个截面的分离程度加大,分离涡面积明显增加. 从r /R = 30% 截面到r /R = 63% 截面的分离涡都表现为双涡状态.

当来流风速为18 m/s,由图8 可知,截面分离状态继续加大,在其它四个截面,分离涡已经完全占据了叶片吸力面.

当来流风速为25m/s,即切出的工况下,由图9 可知,整个叶片吸力面均发生分离,叶片各截面已经进入完全失速状态.

1. 5 叶片翼型优化

通过对比上述叶片表面及截面的流体流态,可知在随机风速作用下叶片失速现象严重,不具有较好的气动特性,需要对翼型进行优化.采用正交试验方法对翼型进行优化设计,选取翼型的厚度所在弦长的位置、前缘半径、弯度三

种因素.

为了减少试验次数,实验因素水平一般以2~ 4 为宜[4]. 本试验选用因素的水平数为3,以最大升力系数( yi)1,最大升助比( yi)2为评价指标.最后利用极差法分析实验结果,确定因素的主次和最优组合. 如表1,表2 所示为因素水平表和试验结果分析表.

1. 6 优化后叶片气动流场分析

来流风速度分别设定为4、8、12 、18 和25m/s,5 种工况,优化后叶片流场如图10( a) ~ ( e) 所示.由图( a) ~ ( c) 可知,在风速小于12 m/s 即额定风速条件下,只有在靠近叶根附近的区域,流线发生了沿着展向方向移动,发生分离,在叶片其他部分,流线分布与弦线方向平行,空气完全附着,叶片失速程度较优化前明显减弱,气动性能提高. 随着风速逐渐增大到18、25 m/s,流动分离线逐渐往叶尖方向扩展,与优化前相比没有在整个叶片上发生严重失速.

与图10( c) 对应,当来流风速为12 m/s,即额定工况下,由图11 可知,分离涡出现在r /R =30% 和r /R = 47% 两个截面处,在其他截面没有明显的分离涡存在. 表明风力机叶片周围空气附着良好,优化后的叶片失速程度明显降低,具有良好的气动性能.

2 风力机输出功率特性分析

为研究优化后风力机输出功率变化,并验证fluent 仿真的可靠性,在Simpack 中分别建立叶片优化前后整机模型,对风力机输出功率特性进行仿真分析,运用TurbSim 模拟轮毂处平均风速为4,8,12,18 和25 m/s 的随机风场,生成风文件.Simpack 通过空气动力学软件AeroDyn,输入风场文件,生成力元[5],完成对风力机加载.

如图12 知,在额定风速范围之内,随着风速V 的增大,风力发电机输出功率P 也在增大. 当达到额定风速时,优化前风力机输出功率为2. 4MW,优化后机组输出功率满足设计要求,为3. 1 MW. 并且利用simpack 软件仿真出的风力机功率与fluent 中仿真得到的功率基本一致.

3 结论

( 1) 以一种3MW 翼型叶片为基础,建立叶片几何模型,利用流体仿真软件Fluent 分析叶片在随机风速条件下的气动特性,得到了叶片周围流场分布状况,并与叶片几个截面周围流场进行对照,分析结果表明叶片在三维旋转条件下存在较严重失速;

( 2) 在保证叶片输出功率的前提下,利用正交试验方法对翼型进行优化设计,并且分析了由优化后的翼型形成的叶片表面及截面在在随机风速下流体的流态,分析结果表明,优化后的叶片的失速程度明显的降低,气动性能显著提高;

( 3) 采用Simpack 和TurbSim 软件,建立了风力机整机模型并对叶片进行加载,分析了翼型优化前、后风力机机组在随机风作用下的输出功率,优化后的输出功率达到设计要求,并对比Fluent仿真分析的结果,两者有良好的一致性,证明了输出功率结果是可信的.

作者:单丽君,刘远

大连交通大学机械工程学院

参考文献:

[1]王旭东,王立存,李平,等. 基于多学科的风力机叶片形状优化设计研究[J]. 机械科学与技术,2012,31( 5) : 806-809.

[2]曲佳佳. 风力机叶片气动载荷的计算方法研究[D] .北京: 中国科学院工程热物理研究所, 2014.

[3]伍艳,王同光. 三维旋转效应对叶片非定常气动特性的影响[J]. 南京航空航天大学学报,2005,37 ( 2) :178-182.

[4]任露泉. 试验优化设计与分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003: 19-21.