NREL Phase VI葉片繞流場的氣動特性研究

胡 宇

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NREL Phase VI葉片繞流場的氣動特性研究

胡 宇1,2

（1. 重慶水利電力職業技術學院, 重慶 402160；2. 中國水利水電科學研究院, 北京100038）

流動分離甚至失速是風力機葉片繞流的重要特征之一，可以通過改變葉片槳距角來降低葉片在大風速時的氣流攻角，從而促使葉片氣動性能參數下降，實現對葉片輸出功率的有效控制。首先研究了失速型風力機葉片的氣動特性。并進一步對NREL Phase VI葉片的繞流場進行數值模擬，對相關的數值計算結果如葉片轉矩、彎矩以及截面氣動特性等進行分析，研究結果表明我們所用的方法具有高度可靠性。

風力機；葉片動力學；氣體動力學

0 前言

隨著控制技術的進步，新型的變槳距型水平軸風力機正逐步取代失速型風力機的統治地位。變槳距型風力機可以根據風場風速的變化及時調整葉片槳距角，使葉片在較大的風速范圍內保持穩定且有較高的輸出功率和運行效率。變槳距型風機的優點在于提高了風機的運行效率，但同時也存在結構復雜、價格昂貴、系統可靠性相對較低等缺點[1]。美國國家可再生能源實驗室(NREL)曾在 2001年就其NREL Phase VI風機葉片模型組織了一次盲比計算試驗，以檢驗當時在風力發電機行業流行的各種數值計算方法(包括采用動量-葉素理論、渦尾跡方法以及CFD方法等)的可靠性[2,3]。從NREL公布的盲比計算結果來看，總體上數值計算方法的可靠性比較差，計算結果與實驗值的誤差比較大。例如在大風速條件下，計算預測的風機功率誤差范圍為－70%~175%，即使在無偏航、定常及無失速的低風速工況中，計算預測值的誤差范圍也達到－75%~75%[2]。由此可見，關于流動分離的數值模擬研究在風機空氣動力學中仍是一個難點。在NREL的盲比試驗中，相對于其他各種數值方法來說，基于三維不可壓縮NS方程的CFD方法表現最為優秀，即使在高度三維化的失速工況下，CFD方法仍能夠比較準確地模擬葉片的氣動特性[4,5]。

1 設計需求

盡可能抑制葉片輸出功率在大風速非設計工況下的過度增長，避免由于過載而燒壞機組。風機葉片的輸出功率定性上滿足如下關系式(1)：

其中ρ是空氣密度，為功率系數(又稱為風能利用系數)，A=πR2為風機葉片的掃風面積，R是葉片展長，W為風速。由式(1)可知葉片輸出功率與風速大致滿足關系式P∝W3。葉片功率控制的目的就是在大風速時盡可能抑制葉片輸出功率的過快增長，如圖1所示，即由曲線L1轉換至L2；而葉片優化設計的目的則是盡可能提高葉片在額定風速下的輸出功率，如從P0提高至P1，同時又能在大風速條件有效抑制過載(圖1中曲線L3)。

風機額定風速和初始設計的額定功率分別記為0和0。1表示不進行功率控制時葉片在大風速條件下(>0)的輸出功率曲線；2表示控制后的結果；3表示葉片優化設計后的功率曲線。為此，首先以NREL Phase VI葉片為模型，對其繞流場進行局部動力學診斷分析，挖掘出決定葉片氣動性能的局部流動結構及主要幾何結構參數[6]。在此基礎上，對NREL Phase VI葉片進行有針對性的改型優化設計，實現葉片輸出功率從0至1的跨越，進而以優化后的葉片為模型，研究在大風速條件下控制葉片輸出功率的新思路。雖然本文的流場診斷及氣動構型優化設計工作是以失速型葉片NREL Phase VI為原型的，但其中關于風機葉片氣動性能的局部動力學診斷與優化設計思想適用于任何類型的風機，甚至其他相關氣動構型。

2 模型分析

葉片模型如圖2所示，葉片展長(含根部轉軸半徑0.1)=5.03m，葉片最大弦長位于0.25展長位置，=0.737m。葉片由三段組成：其根部為圓柱段；從0.25展長位置開始直至葉尖為S809翼型段；在圓柱段與S809翼型段之間為過渡段[3]。葉片額定轉速=7.5rad/s，實驗風速范圍為7m/s~25m/s。為了減少計算量，我們只模擬10m/s、15m/s、20m/s和25m/s四個風速工況，且不考慮偏航。葉片最大弦長計算的Re數約為106。

圖2 NREL Phase VI 葉片模型

兩片葉片外形完全一致，在風機中保持軸對稱狀態。因此，為了簡化計算，我們假定兩葉片相互之間不存在任何流動干擾，葉片繞流場也是軸對稱的。這在我們所研究的無偏航工況下是成立的。這樣，通過指定兩葉片之間的對稱面為軸對稱邊界，我們只需要模擬其中一個葉片的繞流流動，從而減少一半的計算量(這種數值處理方法在對稱流動中是非常普遍的)。

數值計算采用非結構網格，如圖3所示：入口123采用速度邊界條件，其到葉片的距離為6(≈40)；出口4S5S6采用壓力出口邊界條件，其到葉片的距離為8≈40，1254面即為兩葉片之間的軸對稱邊界面。在正風條件下，葉片繞流場的非定常特性主要來自于流場內局部流動結構的非定常運動及其物理演化(如邊界層分離等)[7]。這里我們主要關心葉片的時均氣動特性，而不關注局部流動結構非定常演化的物理過程。為了減小計算量，本文將采用定常算法及在氣動計算中表現優異的SA模型來求解RANS控制方程組。轉矩(等于單個葉片出力的2倍)和彎矩隨風速變化情況如圖4所示。不難看出，數值計算的風機轉矩定性上與實驗值基本一致，定量上除15m/s時轉矩誤差達24.8%以外，其他風速條件下轉矩的相對誤差都在9%以內，在15m/s時出現轉矩產生較大誤差的原因可能如圖4所示的實驗值在四個風速點測試結果并不平滑，如果對其進行插值平滑處理的話會降低計算的誤差值，也可能是網格的劃分導致了模型尺寸與真實外形發生了變化，并由此加大了該誤差的值，而各計算風速條件下，葉片彎矩的誤差都在3%以內。

圖3 流場內部計算網格

(123和456分別是流場入口和出口)

圖4 NREL Phase VI 葉片轉矩隨風速變化情況

相對于NREL提供的盲比計算結果，當前數值計算的葉片整體氣動性能參數的誤差有了質的改善[2]。圖5給出了10m/s風速時葉片不同展向截面上壓力系數分布與實驗值的對比情況。可以看出，除葉片根部0.3R 截面上前緣局部區域以外，其他區域上數值計算的壓力分布曲線與實驗值幾乎完全重合。上述計算結果表明，在研究具有挑戰性的失速型風力發電機葉片大風速繞流問題中，本文采用的數值計算方法(包括SA湍流模式、求解算法、插值格式、計算網格及相關的簡化處理策略)總體上是可靠的。數值計算結果能夠比較準確地反映風機葉片繞流場的基本物理特征。

圖5 葉片截面壓力分布計算結果

(=10m/s，30%展長位置截面)

3 結果與分析

大風速時，失速型風力發電機利用葉片主動失速來降低其做功效率，進而達到抑制葉片轉矩和功率增長的目的。此時葉片整體處于失速狀態，這使得葉片繞流的非定常性顯著增加；并且，導致葉片彈性變形的氣動載荷不但得不到緩解，反而大幅增加，極大地影響風機葉片輸出功率的穩定性、發電機組的運行穩定性及使用壽命。記單位展長上葉片所受的氣動力系數和力矩系數分別為f = (f;f;f)和C=(C;C;C)，則葉片整體所受的氣動力和力矩為：

其中是空氣密度，是風速，和分別表示葉片參考面積和展長。式中力矩的分量形式如下(轉矩M和彎矩M)。

通常，葉片所受展向力f遠小于軸向力f和切向力f(即周向推力)；并且，除葉根外的大部分區域內f作用的力臂x或z也遠小于展向位置。因此公式(4)和(5)中關于展向力一階矩的積分項可以忽略(數值計算結果也表明該項對葉片整體轉矩和彎矩系數的貢獻小于0.1%)。圖6給出了各風速條件下 NREL Phase VI 葉片所受力沿葉片展向的分布曲線。

圖6 風速條件葉片切向力系數和軸向力系數沿展向分布情況

圖6(a)中，10m/s風速時周向推力，f的峰值出現在S809翼型的起始段(=0.25~0.45)。該區域中近壁展向流動正逐步形成。f的這一特征在大風速(>10m/s)條件下尤為突出。大風速時，葉片完全失速，葉中和葉尖區域的邊界層分離使葉片氣動性能急劇惡化，升力系數大幅下降導致當地葉片的周向推力也急劇下降(如圖6a所示)。因此，大風速時葉根部的周向推力峰值導致轉矩系數的峰值由10m/s風速時的葉尖迅速移至葉根。這一氣動特征表明，在S809翼型起始段(=0.25~0.45)形成的展向流動，客觀上有助于改善葉片氣動性能。特別是大風速條件下，其對葉片轉矩和輸出功率的貢獻比例顯著提高。由圖6(b)可知，10m/s風速時葉尖處的氣動效率更高，其對應的軸向力也更大；而風速W>10m/s時，葉片S809翼型段的軸向力系數基本一致，因此彎矩系數在大部分展長范圍內呈線性變化。

4 結語

網格是計算流體力學最主要的誤差來源，網格生成要考慮是否反映真實外形變化和能否與流場結構匹配，例如對于旋轉葉片葉尖的螺旋形渦結構就很難利用結構網格的軟件生成相匹配的網格，本論文首先建立了NREL Phase VI葉片的模型，并對模型的繞流場的氣動特性進行了數值研究，數值結果在總體上可以客觀反映葉片繞流場的氣動特性，但網格的劃分可能會帶來計算結果在一定程度上的不確定性，影響計算結果精度，還需要進一步作更深入的研究。

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Study on Aerodynamic Characteristics of Flow Field Around the NREL Phase VI Blades

HU Yu1, 2

(1. Chongqing Water Recourse and Electric Engineering College, Chongqing, 402160, China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038, China)

The flow separation and even stall is one of the important characteristics around a wind turbine blade. It can reduce flow attacking the angle at high wind velocity by changing the blade pitch angle, thus contributing to the decrease of aerodynamic performance parameters and achieve effective control of the output power. This paper studies the aerodynamic characteristics of wind turbine blades of stall type, and simulates the flow field around the NREL Phase VI blade, and analyzes the numerical results such as blade torque, bending torque and cross-section aerodynamic characteristics, our findings show that our methods have high reliability.

wind turbine; blade dynamics; airflow dynamics

TM303.5

A

1000-3983(2014)05-0069-04

2014-01-03

胡宇(1978-)，2008年畢業于西北農林科技大學，主要研究方向為流體動力學，中國水利水電科學研究院博士生，副教授。

審稿人：魏顯著