大攻角下開縫位置改變對風力機葉片影響研究

王 龍, 孫倫業, 張 瑾

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

大攻角下開縫位置改變對風力機葉片影響研究

王 龍, 孫倫業, 張 瑾

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

風力機葉片在大攻角條件下存在著嚴重的流動分離現象,降低風電機組的發電效率,文章采用計算流體力學方法研究開縫位置改變對風力機葉片性能的影響。研究結果表明:在一定攻角范圍下,射流會改善流動狀況,縮小渦旋結構影響區域;開縫位置位于分離點附近時,氣動性能最好,隨著射流位置后移,其控制效果減弱,即使射流位置位于回流區,仍可減弱回流區影響范圍與強度;射流有利于提高葉片升力系數,改善大攻角下葉片氣動性能及穩定性。

射流;計算流體力學;風力機葉片;附面層控制

0 引 言

風力機葉片作為風電機組的重要工作部件,其氣動性能高低直接關系到發電功率輸出。在來流大攻角條件下,風力機葉片會存在明顯的流動分離現象,對水平軸風力機而言,其升力系數會嚴重下降。因此在非工況設計條件下,其空氣動力學問題應是研究重點之一[1-2]。

計算流體力學方法[3-5]可以較高精度地再現風力機運行過程中的流場擬序結構,可處理其遇到的復雜流動問題。因此隨著現代計算能力的迅速發展,計算流體力學在風力機氣動性能分析中占據的地位和作用愈加重要和明顯。

風力機葉片的邊界層流動在大攻角下抗逆壓梯度能力較弱,存在嚴重的流動分離現象,從而對風力機升阻比及安全穩定性造成嚴重影響。通過流體控制手段改變附面層相干結構,較大程度減小渦旋結構影響區域,提高風力機運行安全及穩定性,無疑具有重要意義。

文獻[6]對合成射流控制圓柱分離進行實驗研究,研究結果表明在不同雷諾數下合成射流均能改善圓柱繞流的分離狀況。

在葉片流動分離機理研究方面,國內外學者均進行相對深入的研究。文獻[7]對NACA0015 翼型進行射流試驗,研究表明在低馬赫數條件下,射流可以提高升力系數,改善流動狀況。文獻[8]對低雷諾數下機翼翼型的前緣流動分離機進行研究,發現前緣橢圓弧靠近葉身位置存在吸力峰,并在強逆壓梯度作用下發生流動分離;翼型上表面渦系結構包含駐留渦、脫落渦和二次渦,具有強烈的非定常性。

文獻[9]對低雷諾數下多孔分布式抽吸結構對流動分離的控制進行相關研究,結果表明通過在翼型前緣附近合適位置進行附面層抽吸,可以抑制流動分離。

風力機葉片表面開縫示意圖如圖1所示。

圖1 風力機葉片表面開縫示意圖

本文采用計算流體力學方法研究開縫位置改變對風力機葉片性能的影響,獲取不同攻角下的葉片流場及升力系數,討論了4種不同開縫位置對流場及氣動性能的影響,可為非工況條件下風力機葉片設計提供參考依據。

1 控制方程及湍流模型

自然界所存在的流體滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒三大規律,在忽略徹體力和源項的條件下,其數學積分的表現形式為:

(1)

(2)

(3)

其中,Ω為空間內任一控制體的體積,由閉合曲面邊界?圍成;ρ、v分別為密度和速度矢量;q為熱流矢量；et為流體的總能量；n為曲面的法矢量；π為應力張量的大小,其牛頓流體的本構方程為:

(4)

S-A模型為文獻[10]提出的一方程湍流模型,該方程在壓聲速和跨聲速流動領域中的翼型及機翼應用廣泛,但由于其只含1個湍流變量,相對于其他2個方程模型來說計算量和耗時均較小。不引入轉捩項的守恒型輸運方程可改寫為:

(5)

其中,Cb1=0.135 5;σ=2/3;Cb2=0.622;K=0.41;υ為流體黏度；其余符號表達意思可參見文獻[10]。

2 模型及網格

根據開縫位置不同(縫所在位置分別為0.5、0.6、0.7、0.8 m處),依次命名為model-1、model-2、model-3、model-4,其中,model-0表示原型模型,即未開縫。本文計算所采用模型如圖2所示,為簡單起見,僅給出了原始模型model-0及開縫位置x=0.5 m的model-1的對比。

圖2 風力機葉片模型及開縫模型

計算域劃分圖如圖3所示,計算域的上下邊界為15倍弦長,為保證網格的正交性,計算域前部采用“C”結構,流體出口邊界距離原點為30倍弦長。邊界條件由遠場及壁面組成。網格示意圖如圖4所示,包括整體網格及風力機葉片前后緣局部網格,近壁面第1層網格距離壁面約為1.0×10-5m,總的網格數約為8×104個。

圖3 計算區域

圖4 網格示意圖

3 計算結果

為保證計算結果的正確性和合理性,本文首先對有實驗結果的S809原型葉片進行計算。來流空氣的馬赫數為0.12,雷諾數為2×106。其計算所獲取的壁面壓力系數如圖5所示,其中,實驗結果為文獻[11]所測量的實驗值;計算結果為采用課題組自行開發的軟件[12]所模擬的結果,可見兩者數據吻合較好。

圖5 葉片壁面壓力系數

本文計算條件如下:① 計算攻角范圍為12°～20°,如圖6所示,計算間隔角度為2°;② 對4個位置(X=0.5、0.6 、0.7 、0.8 m)的開縫及原型模型計算,且縫寬均為2 cm、噴射角度為0°角;③ 風速約為40 m/s,遠場壓強為72 465 Pa,縫進口壓力為74 000 Pa。

圖6 計算攻角示意

升力系數對比如圖7所示,其中,圖7a所示為4種不同開縫位置模型及原始模型葉片在攻角為12°～20°條件下的升力系數計算結果,從圖7a中可以看出,開縫后葉片升力系數均比原型葉片的升力系數增加較多,其無量綱增加的幅度均在0.2以上;圖7b所示為不同開縫模型升力系數對比,其中,model-1(X=0.5 m)氣動性能相對最高; model-2性能次之;model-4性能相對最差,與原始模型“model-0”相當。從升力系數隨攻角的變化可以看出,隨著開縫位置后移,其升力系數逐漸下降,靜態失速角前移。model-1與model-2在12°～16°之間升力系數幾乎一致,隨著攻角增加,model-2的升力系數從1.64降到1.18。

model-1的最大升力系數為1.71,其失速角為18°;model-2的最大升力系數為1.67,在攻角為16°出現,較model-1的最大升力系數小0.04;model-3的最大升力系數為1.58,在攻角為16°發生,較model-1的最大升力系數小0.13;model-4的最大升力系數為1.40,在攻角為12°出現,較model-1的最大升力系數小0.31,隨后升力系數隨攻角增加而下降。

圖7 升力系數對比

18°攻角下不同開縫位置葉片的流場分布如圖8所示。從圖8可以看出,在加入射流以后,model-1、model-2的流場均沒有出現流動分離現象,并且流場分布大體相似;而model-3、model-4在葉背后半部的吸力面上方出現渦旋結構區域。對比圖8c、圖8d流場分布還可以看出,隨著射流起始位置后移,其改善流場狀態的能力進一步削弱,渦旋影響區域顯著增加。在回流區的影響下,model-3和model-4的升力系數均開始下降,下降幅度在0.34以上,小于model-1、model-2的升力系數。

18°攻角下開縫葉片與原型葉片的流場分布對比如圖9所示。從圖9可以看出,2種模型在較大攻角下其流場出現截然不同的流動現象,其中,model-1在射流的作用下不再出現回流區,model-0在葉背后半部吸力面上方出現更大的漩渦區域,并出現尾緣渦并向下游脫落。開縫與原型葉片回流區位置流場如圖10所示,對比圖10a、圖10b可以發現分離點位于射流起始位置附近,附加的高能流體從回流區上游出發,迫使渦旋結構出現破碎,大渦分解為若干小渦,同時增加附面層低能流體所攜帶的能量,減小附面層厚度,最終達到消除分離回流區的目的。觀察流場還可以看出,相同攻角下,葉背處漩渦區域的存在會降低氣動性能。

圖8 攻角18°下不同開縫葉片流線

18°攻角下model-0(原型葉片)與model-1(開縫葉片)壓力系數對比如圖11所示,從圖11可以看出,在加入射流后,壓力面上的壓力系數分布差別較小,吸力面上的壓力系數出現較大不同。原因在于射流出現后,吸力面的流體加速向下游流動,壓強變小,從物理角度來看則是“等效”增加了葉片的彎度與環量,起到增升效果,即壓力系數曲線所包含的面積增加,升力系數變大。

圖9 開縫與原型葉片流場對比

圖10 開縫與原型葉片回流區位置流場

圖11 開縫與原型葉片壓力系數對比

通過上述分析可以看出,引入高能氣流在狹縫出口處形成射流,迫使下游附面層低能流體獲取能量,改善附面層流動狀態,對葉片在大攻角下出現的大尺度漩渦及后緣渦起到一定的削弱和清除作用,提高葉片的氣動性能。

4 結 論

本文采用計算流體力學方法對4種不同開縫位置風力機葉片進行數值模擬,獲取了不同攻角下的葉片流場及升力系數,并討論了開縫位置對流場及氣動性能的影響,所得結論如下:

(1) 在來流攻角12°～20°條件下,開縫模型性能均優于原始葉片模型,其中,model-1氣動性能相對最高,其最大升力系數為1.71,較原始模型提高28.6%,失速角為18°。

(2) 大攻角下,射流會抑制流動分離現象發生,但與射流位置密切相關。開縫位置位于分離點附近時,氣動性能最好,隨著后移,其控制效果減弱,即使射流位置位于回流區,仍可減弱回流區影響范圍。

(3) 射流可以增加葉片氣動性能的穩定性。高能氣體出口處附近形成高速射流,掃掠附面層低能流體,有利于削弱和清除吸力面上的大尺度渦旋結構及尾緣渦,可以提高風力機機械性能。

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(責任編輯 張 镅)

Study of the impact of the change of slotted position at high angle of attack on wind turbine blades

WANG Long, SUN Lunye, ZHANG Jin

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

There is serious flow separation phenomenon for the wind turbine blade in the condition of high angle of attack that reduces the power generation efficiency of wind turbine. The impact of the change of the slotted position on wind turbine blades was studied by using the computational fluid dynamics. The result indicated that the jet improved the flow situation, reducing the affected area of the vortex structure, under a certain range of the angle of attack. The aerodynamic performance was the best when the slotted position was located near the separation point. The control effect was weakened with the jet position moving backward. Even if the jet was located in the recirculation zone, the scope and intensity of the recirculation zone could be reduced. The jet could improve the lift coefficient of blades and improve the aerodynamic performance and stability of blades at high angle of attack.

jet; computational fluid dynamics; wind turbine blade; boundary layer control

2016-02-29；

2016-07-04

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51505003);安徽省自然科學基金資助項目(1708085QE123;1708085QA17;1508085QE94);安徽理工大學國家自然(社會)科學基金預研資助項目(10029);安徽理工大學青年教師科學研究基金資助項目(12664)和安徽理工大學引進人才科研啟動基金資助項目(ZY041)

王 龍(1984-),男，安徽蚌埠人,博士,安徽理工大學講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.006

TK83

A

1003-5060(2017)08-1037-05