風電場風速對風機葉片性能影響的模擬分析

胡 斌， 劉 雙

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

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風電場風速對風機葉片性能影響的模擬分析

胡 斌， 劉 雙

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

建立了風機葉片的三維數學模型，采用計算流體動力學軟件Fluent對風機葉片流場進行了模擬分析，通過調用Static Structural模塊進行葉片形變分析，并在Workbench平臺下實現了流固耦合.基于該方法研究了不同風速下的流場分布情況和葉片變形情況.結果表明：本文計算值與文獻[14]中的測量值吻合較好，兩者最大誤差不超過5%，驗證了本文數學模型和計算方法的正確性；隨著風速的增大，葉輪表面的速度值也在增大，氣動壓強分布的不均勻性更加明顯；當風速由5 m/s增大至12.5 m/s時，葉片的最大形變量增大了0.91 m，葉片形變量與風速呈非線性變化關系；揮舞是葉片的主要振動形式.

風機葉片； 流固耦合； 風速； 流場； 形變

風能是一種重要的綠色可再生能源，具有良好的發展前景.近幾年，我國的風電建設在逐步擴大，加強風電關鍵技術的研究對于提高風機運行的安全性與可靠性具有重要意義.

風機葉片是風電機組的關鍵部件，對于其流場研究而言，風洞試驗和現場測量經費較高，風機的CFD數值模擬己成為當前國際上最活躍的研究領域之一[1].近年來，多采用數值模擬的方法研究風機葉片的流場[2-11].邱興克[2]利用Fluent軟件對風機葉片進行了二維流場分析，研究在不同風速下葉片受到的壓強和表面風速的變化情況.李媛[5]建立了基于CFD的三維風機葉片模型，研究了不同風速下風輪的氣動彈性特征，選用的是Sparlart-Allamaras單方程湍流模型，分析了葉片變形與載荷分布的相互影響機理.王博等[6]利用Fluent軟件對多個風速工況下的風機葉片進行了氣動流場模擬仿真，湍流模型為RNGk-ε，得到了壓強和流速等氣動參數的分布特點.張昇龍[7]利用Fluent軟件對水平軸風力機進行了三維定常數值模擬，應用的湍流模型是Spalart-Allmaras單方程模型，同時對風機尾跡流場及不同截面處的壓強和速度分布進行了分析.筆者建立了風機葉片的三維數學模型，采用計算流體動力學軟件Fluent對風機葉片進行流場模擬分析，并調用Static Structural模塊進行形變分析，在Workbench平臺下實現了流固耦合，湍流模型選用SSTk-ω，主要研究了不同風速下流場分布情況和葉片變形情況，這對葉片的失效分析和運行維護將起到重要作用.

1 數學模型

選取風速作為過程參數，其具體大小見表1.由表1可見，實驗模型與計算模型的轉速并不相同，這是為了保證相同風速下的葉尖速比一致.設計參數見表2.幾何模型如圖1所示.旋轉流場與外流場的網格見圖2，網格總數量為2 846 019，另外旋轉域采用了邊界層網格，可以保證計算精度.

表1 過程參數

1.1 流體控制方程

連續性方程：

(1)

動量方程：

表2 風機葉片的設計參數

圖1 風機葉片的幾何模型

(a) 旋轉流場

(b) 外流場

(2)

式中:ρ為密度;u為速度矢量;p為靜壓;μeff為有效黏性系數;F為體積力.

1.2 邊界條件

根據風機葉片在流場中的實際運行情況，邊界條件設置如下：(1)旋轉域.該區域隨著葉片旋轉，轉速為葉輪轉速，定義為rotor.(2)靜止域.該區域為靜止外流場，定義為stator.(3)進口.即外流場來流處，定義為 velocity-inlet.(4)出口.即外流場出流處，定義為pressure-outlet.由貝茲理論可知，葉片前方遠處的靜壓與后方遠處的靜壓應該相等，因此設置為壓力出口.(5)壁面.外流場壁面定義為wall，旋轉域與靜止域的交界面定義為interface，二者均采用無滑移邊界條件.

1.3 模型選擇與求解設置

考慮到風機的流場特點及來流條件，選擇基于壓力的隱式求解器進行計算，其收斂性優于分離式和顯式.采用Simple方法對壓力和速度進行耦合，壓力插值采用Standard方式，動量和湍流動能及湍能耗散率均選用二階離散迎風格式，有利于提高計算精度.

由于風機葉片附近流場流動情況的復雜性，選擇SST(shear-stress transport)k-ω模型作為湍流模型，該模型與Sparlart-Allamaras單方程模型和RNGk-ε模型相比，對截面壓力分布和轉矩的預測更為準確[12]，它是標準k-ω模型的改進.使用混合函數將標準k-ε和k-ω模型結合起來，并包含轉捩和剪切選項，這對邊界層流動及分離流動均有較好的模擬效果[13]，因此比較適用于風機葉片的流場模擬.

SSTk-ω湍流模型方程如下：

(3)

(4)

其中有效擴散項方程：

式中:Gk、Gω分別為k與ω的湍流動能;Γk、Γω分別為k與ω的有效擴散項;μt為湍流黏性系數；Yk、Yw分別為k與w的發散項;Dω為正交發散項;Sk、Sω均為用戶自定義項;k為紊流脈動動能;ω為比耗散率;ui為i向速度分量.

1.4 模型驗證

為驗證數學模型與計算方法的正確性，采用與實驗模型尺寸相同的數學模型進行計算，將計算值與文獻[14]中的測量值進行比較，結果示于圖3.由圖3可見，計算值與試驗測量值吻合較好，且最大誤差不超過5%，所以該數學模型和計算方法可用來預測風機葉片的流場分布與形變量變化.鑒于此，筆者采用相同的建模方法與計算方法對大尺寸在役風機葉片的流場分布和形變量變化進行模擬，從而提高模擬結果的可參考性.

(a) 壓強對比

(b) 速度對比

2 結果與分析

2.1 不同風速下的速度場分布

圖4給出了葉輪的速度場分布.由圖4可見，在不同的風速條件下，沿葉展方向的速度場分布趨勢基本一致，輪轂處的速度值最小，葉尖處的速度值最大，這與周向速度公式v=2πR/T=ωR(式中R為風輪半徑,T為周期,ω為角速度)所計算出的結果相符.從葉根到葉尖處的速度值依次增大，隨著來流速度增大，葉輪表面的速度值也增大.圖5為單個葉片的速度場分布，由圖5可以更好地觀察出這一現象.

圖6給出了葉輪后截面的速度場分布.距離葉輪中心3 m的位置，由于葉輪前截面的流場并未受到葉輪的阻礙作用，速度場不會發生明顯變化，因此主要分析了葉輪后截面的速度場分布.由圖6可以看出，葉輪的旋轉會影響到周圍區域的流體流動，導致葉輪附近區域流體速度相對較大，而遠離葉輪區域的流體速度相對較小.另外，由圖6還可以看出，隨著來流速度的增大，葉輪影響區域的速度值也增大，而且具有紊流現象，符合實際流場的空氣流動特性. 圖7給出了速度場分布矢量圖.從圖7可以直觀地看出葉片在旋轉過程中流場的分布特性.葉尖處速度值較大，而且在旋轉過程中，葉輪主要受哥氏力和離心力的影響.哥氏力引起逆壓力梯度降低，使得流域出現附加的加速流動，而離心力促使吸力面上分離區域的氣流沿葉尖方向移動，在這2種力的共同作用下，流動分離延遲，同時氣流的穩定性增強，這樣可起到增大升力和減小阻力的效果，從而增強了風機的動力輸出，保證在額定工況下滿足功率輸出要求.通過對不同工況下葉片性能的分析，對本文中的風機進行了風機效率計算，風機效率隨轉速變化的曲線見圖8.由圖8可見，當風速為10 m/s時，風機的氣動效率較好；當風速繼續增大時，風機輸出功率保持恒定后有所降低.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

2.2 不同風速下的壓強分布

圖9給出了葉輪的壓強分布.由前文分析可知，葉輪前截面的壓強分布均勻，因此主要分析葉輪后截面的壓強分布.由圖9可以看出，在葉輪的旋轉作用下，葉片周圍區域的空氣氣流速度受到影響，使葉輪及周圍區域的氣流壓強隨之發生變化，呈現出與速度場相呼應的分布特點.隨著風速的增大，紊流現象更加強烈，導致葉片表面流場發生較大變化，故氣動壓強分布表現出明顯的不均勻性.圖10給出了單個葉片的壓強分布,從圖10可以看出葉片根部壓強相對較大.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖7 不同風速下葉輪速度場分布矢量圖

Fig.7 Velocity vector field distribution at different wind speeds

圖8 風機功率隨風速的變化曲線

2.3 不同風速下的形變分析

圖11給出了不同風速下葉片在旋轉過程中發生的形變.葉片由靜止到旋轉過程中，所受的外力逐漸增大，進而使葉片發生形變.隨著風速的增大，形變量也逐漸增大，當風速由5 m/s增大到12.5 m/s時，形變量由0.15 m增大到1.06 m，顯然形變量是比較大的.值得一提的是，形變量與風速呈非線性變化，如圖12所示.由圖11(b)也可以發現，在風載的作用下，葉片在垂直于旋轉平面方向上發生了彎曲振動，從而也體現出揮舞是葉片的主要振動形式，揮舞形式的振動對葉片的整體結構相當不利，是造成疲勞損傷的重要原因之一.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖10 葉片壓強分布

3 結 論

(1)通過對風機葉片在不同風速下的模擬分析，得到了相應風速下的葉輪速度場和壓強分布.隨著風速的增大，葉輪表面的速度值增大，氣動壓強分布的不均勻性更加明顯.當風速為10 m/s時，風機的氣動效率較好.

(2)葉片的形變量隨風速變化呈非線性變化.在風載的作用下，葉片在垂直于旋轉平面方向上會發生彎曲振動，說明揮舞是葉片振動的主要形式，揮舞形式的振動對葉片結構的穩定性造成不利影響.

(a) 5 m/s

(b) 7.5 m/s

(c) 10 m/s

(d) 12.5 m/s

圖12 不同風速下葉片形變量的大小

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Influence of Wind Speed on the Performance of Wind Turbine Blades

HU Bin, LIU Shuang

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

Based on the three-dimensional mathematical model of wind turbine blade, a simulation analysis was carried out on the turbine flow field using CFD software Fluent, while a stress analysis of the blade was performed with Static Structural module, in which case fluid-solid coupling was realized in the Workbench platform. The method proposed was used to study the flow field and stress distribution of wind turbine blades at different wind speeds. Results show that the calculated values agree well with actual measurements in literature [14], and the maximum error is less than 5%, proving the calculation method and mathematical model to be correct. With the rise of wind speed, the velocity on impeller surface also increases, and the pressure distribution becomes obviously non-uniform. When the wind speed rises from 5 m/s to 12.5 m/s, the maximum deformation of blade would be increased by 0.91 m, and the blade deformation is nonlinearly related to the wind speed. The vibration of blade is mainly in the wave form.

wind turbine blade; fluid-solid coupling; wind speed; flow field; deformation

2015-12-15

2016-03-01

國家質檢公益性行業科研專項基金資助項目(201210076)

胡 斌(1977-)，男，河南信陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向為無損檢測與安全評價. 電話(Tel.)：010-59068300;E-mail：hubin@csei.org.cn．

1674-7607(2016)12-0993-07

TK83

A 學科分類號：470.30