楊莉 李麗 孫凱 胡丹梅

摘? ?要：臺(tái)風(fēng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要故障因素之一。針對(duì)正常風(fēng)況和極端風(fēng)況進(jìn)行了UDF建模，得到的動(dòng)態(tài)來(lái)流模型還考慮了陣風(fēng)及極端風(fēng)向變化情況，基于FLUENT采用滑移網(wǎng)格技術(shù)和RNG 研究了動(dòng)態(tài)來(lái)流及塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)下游尾跡特性的影響。結(jié)果表明：通過(guò)UDF編譯的動(dòng)態(tài)來(lái)流與理論值完全吻合，驗(yàn)證了UDF的正確性;風(fēng)機(jī)前端來(lái)流的隨機(jī)波動(dòng)會(huì)引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)，尾跡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變。此外，扭矩以及功率受風(fēng)機(jī)塔影效應(yīng)影響而下降，塔架表面升力突變，進(jìn)而影響塔架疲勞壽命。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果對(duì)風(fēng)力機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組陣列分析具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)來(lái)流;塔影效應(yīng);尾跡;風(fēng)力機(jī)

中圖分類號(hào)：TP391.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on Influence of Dynamic Inflow and Tower Shadow Effect

on Wake Characteristics of Wind Turbines

YANG Li1，LI Li1，SUN Kai2，HU Dan-mei2?

（1. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction of State Grid Hunan

Electric Power Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410129，China;

2. College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Abstract：Typhoon is one of the main factors lead to failure of wind turbines. Normal wind condition and extreme wind condition are modeling by UDF. Dynamic inflow model was built while gusty wind and extreme wind direction changing were considered. Based on FLUENT，sliding grid technology and RNG，the effects of dynamic incoming flow and tower shadow effect on the downstream wake characteristics of wind turbines are studied. The results show that the dynamic inflow compiled by UDF is in good agreement with the theoretical value，which verifies the correctness of UDF. The power output of wind turbines fluctuates with the changing of dynamic inflow. Deformation of wake geometry was also observed. The decreasing of torque and power of wind turbines was caused by tower shadow effect，which makes the lift of tower surface change sharply，and fatigues the tower. Life expectancy has a negative impact. The results of numerical calculation have important reference value for the structural design of wind turbine units and the array analysis of wind farm units.

Key words：dynamic inflow;tower shadow effect;wake;wind turbine

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的電力設(shè)備，良好的風(fēng)況是風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的前提條件，但由于風(fēng)機(jī)所處自然環(huán)境中風(fēng)速往往是不穩(wěn)定的，尤其是臺(tái)風(fēng)等大風(fēng)條件下風(fēng)速分布存在強(qiáng)烈的湍流脈動(dòng)特征，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全存在威脅[1-4]，而在現(xiàn)有研究中，通常以均勻風(fēng)速作為條件，從而達(dá)到簡(jiǎn)化運(yùn)算的目的。但此種簡(jiǎn)化方式未考慮風(fēng)速分布中幅值及風(fēng)向的變化特征，雖然有利于仿真計(jì)算，但是會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果不能真實(shí)反映實(shí)際工況。同時(shí)，由于對(duì)風(fēng)機(jī)性能要求的不斷提高，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸也不斷增加以支持更高功率的發(fā)電機(jī)組，在這樣的背景下，有必要針對(duì)塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)功率輸出以及尾跡的影響進(jìn)行研究，了解大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

沿海及海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到臺(tái)風(fēng)，尤其是在我國(guó)東南沿海地區(qū)，每年都會(huì)受到臺(tái)風(fēng)侵襲[5]。臺(tái)風(fēng)條件下氣流的湍流程度高，具有脈動(dòng)變化特征[6-8]，針對(duì)風(fēng)機(jī)的工況，使用Fluent軟件中的DUF模塊，對(duì)風(fēng)機(jī)受到的來(lái)流進(jìn)行了建模和編譯，主要考慮了正常及極端情況下風(fēng)速高度變化，以及極端條件下陣風(fēng)風(fēng)速分布、考慮風(fēng)向變化的風(fēng)速分布等因素，用Fluent軟件分析了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和尾跡分布特征，并考慮了塔影效應(yīng)的影響。

1? ?動(dòng)態(tài)來(lái)流及塔影效應(yīng)模型

1.1? ?正常條件下垂直風(fēng)切變風(fēng)速廓線分布模型

風(fēng)切變是指風(fēng)矢量在空中水平和垂直距離上的變化，按風(fēng)向可分為水平風(fēng)的水平切變、水平風(fēng)的垂直切變、垂直風(fēng)的切變[9-10]。其中垂直風(fēng)的切變是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出波動(dòng)的主要因素[11]，也是本文的研究重點(diǎn)。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求，風(fēng)速廓線V（y）可以表示為：

式中y為縱坐標(biāo)，表示與地面距離;yhub為輪轂高度，取yhub = 90 m，取該高度處平均風(fēng)速Vhub = 10 m/s;α為風(fēng)速高度變化系數(shù)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程，可以取值0.2。

1.2? ?極端條件下垂直風(fēng)切變風(fēng)速分布模型

風(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)等極端條件下會(huì)產(chǎn)生極限風(fēng)載荷，在極端風(fēng)況下，往往會(huì)產(chǎn)生湍流等劇烈變化的風(fēng)速分布[12-15]，基于風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)要求，規(guī)定重復(fù)周期為一年的極端垂直風(fēng)切變V（y，t）為

式中α = 0.2;β = 4.8;T = 12 s;湍流長(zhǎng)度尺度Λ = 21 m;風(fēng)力機(jī)組風(fēng)輪直徑D = 126 m;風(fēng)速垂直分量標(biāo)準(zhǔn)差σ = 2.1 m/s。

1.3? ?極端條件下陣風(fēng)風(fēng)速分布模型

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[16]，以重現(xiàn)期為1年的陣風(fēng)風(fēng)速為研究對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型如下式所示：

式中T = 10.5 s;Vgust為重復(fù)周期為一年的輪轂高度陣風(fēng)幅值，Vgust = β[σ/（1+0.1D/Λ）]。

1.4? ?極端風(fēng)向變化風(fēng)速模型

重復(fù)周期為一年的極端風(fēng)向瞬間變化θ（t）為

式中θe為重復(fù)周期為一年的極端風(fēng)向變化幅值，θe = ±βarctan[（σ/Vhub（1+0.1D/Λ）]。

根據(jù)風(fēng)向角度不同，對(duì)風(fēng)速取定向速度分量，以此間接反映風(fēng)向角度變化，解決Fluent軟件中無(wú)法直接顯示角度變化的問(wèn)題，求取速度分量的示意圖如圖1所示。

1.5? ?塔影效應(yīng)風(fēng)速模型

塔影效應(yīng)是指由于塔架對(duì)氣流的阻擋作用，導(dǎo)致塔架后面氣流風(fēng)速降低的現(xiàn)象，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)葉片附近的空氣動(dòng)力場(chǎng)，這在大型風(fēng)機(jī)上更為明顯，這是由于大型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸更大[17-20]，對(duì)空氣流場(chǎng)的影響也更大。綜合考慮塔影影響，其風(fēng)場(chǎng)為

式中Vhub為輪轂高度處風(fēng)速;V0為所分析風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的平均風(fēng)速; a為塔架等效半徑; x為塔架中心線到葉片平面的距離;y為葉片到塔架軸線水平方向的距離。

2? ?數(shù)值模型及計(jì)算

2.1? ?幾何模型

選取用于建模的風(fēng)力機(jī)為NRELⅤ 5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為12.1 rpm，風(fēng)輪直徑為126 m。所建立整機(jī)模型如圖2所示。

2.2? ?網(wǎng)格劃分

根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特征，將所研究的流場(chǎng)區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域兩種，旋轉(zhuǎn)區(qū)域包括葉輪及輪轂等發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分，除上述兩部分外的計(jì)算流場(chǎng)為靜止區(qū)域[21-23]。由于兩部分區(qū)域的流場(chǎng)模式不同，仿真過(guò)程中采用ICEM對(duì)旋轉(zhuǎn)、靜止區(qū)域進(jìn)行分塊處理，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行劃分，葉片及塔架附近是關(guān)注重點(diǎn)，在此處建立O型網(wǎng)格并合理細(xì)化，對(duì)于各部分表面的法向，以指數(shù)函數(shù)設(shè)置節(jié)點(diǎn)分布，指數(shù)系數(shù)比率為1.2。固體模型表面網(wǎng)格邊距設(shè)置為1 mm，以確保所創(chuàng)建的邊界層網(wǎng)格具有較高劃分精度。為減少計(jì)算工作量，采用稀疏六面體網(wǎng)格對(duì)外圍次重要的關(guān)注區(qū)域進(jìn)行劃分，處理后計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量大為縮減，經(jīng)驗(yàn)證創(chuàng)建網(wǎng)格的畸變率均小于0.85，符合網(wǎng)格質(zhì)量要求。所建立模型的網(wǎng)格剖分情況具體如圖3所示。

2.3? ?仿真計(jì)算及仿真邊界條件

基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行特征所創(chuàng)建的仿真模型為流固耦合模型，采用FLUENT軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析，由于風(fēng)機(jī)尾流的影響，導(dǎo)致下游流域內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)自由剪切流[24]，為分析上述條件下的流場(chǎng)分布，本文結(jié)合可壓縮流體的非穩(wěn)態(tài)三維雷諾特征、Navier-Stocks方程和Fluent中提供的 二方程模型，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析。針對(duì)葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況，網(wǎng)格劃分過(guò)程中采用滑移網(wǎng)格對(duì)葉片部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述，對(duì)于壓力速度耦合的算法選用Simple，對(duì)流項(xiàng)差分采用二階迎風(fēng)格式。

風(fēng)場(chǎng)分布是本文研究的側(cè)重點(diǎn)，為更好分析風(fēng)速分布特征與葉片尾跡關(guān)系，采用UDF接口描述風(fēng)速模型，UDF接口可以通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行編譯，屬于Fluent軟件中用戶自定義程序二次開(kāi)發(fā)接口，可被Fluent直接識(shí)別，UDF編譯后將風(fēng)速分布賦值至模型速度入口。

此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)所建立的模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，出口處邊界條件采用自由出流outflow，遠(yuǎn)場(chǎng)流場(chǎng)區(qū)域設(shè)為靜止wall，旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)閕nterface，旋轉(zhuǎn)域流場(chǎng)為動(dòng)態(tài)區(qū)域，其內(nèi)部網(wǎng)格類型設(shè)置為Moving Mesh，同時(shí)設(shè)置此部分具有所選定風(fēng)力機(jī)的相同額定旋轉(zhuǎn)速度，值為ω = 12.1 rpm。

葉片和輪轂設(shè)為Wall，同時(shí)認(rèn)為壁面無(wú)滑移，各類固體邊界設(shè)置為靜止wall。

3? ?仿真結(jié)果與分析

3.1? ?動(dòng)態(tài)來(lái)流風(fēng)場(chǎng)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)需要，在仿真區(qū)域中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)于輪轂高度處，記錄仿真結(jié)果中風(fēng)速隨時(shí)間變化特征，以及極端垂直風(fēng)切變、極端陣風(fēng)和風(fēng)向變化隨時(shí)間變化特征，上述特征的仿真計(jì)算結(jié)果與理論值的對(duì)比曲線如圖4所示。

由圖4的結(jié)果中看到，各風(fēng)況下的風(fēng)速隨時(shí)間變化的仿真值與理論值基本相符，采用UDF能夠有效地對(duì)動(dòng)態(tài)來(lái)流進(jìn)行仿真，滿足工程需求。

3.2? ?動(dòng)態(tài)來(lái)流對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響

不同動(dòng)態(tài)來(lái)流扭矩變化與均勻來(lái)流和設(shè)計(jì)值比較圖如圖5所示。由圖5可知，各風(fēng)況下動(dòng)態(tài)來(lái)流的扭矩值較設(shè)計(jì)值偏小，誤差產(chǎn)生原因?yàn)橄抻谟?jì)算能力，部分網(wǎng)格粗略劃分并使用滑移網(wǎng)格計(jì)算。風(fēng)機(jī)輸出功率可由風(fēng)機(jī)扭矩與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速計(jì)算而得，隨時(shí)間變化功率呈波動(dòng)特性，與UDF函數(shù)模型相符。正常垂直風(fēng)切變工況與均勻來(lái)流相近。而在極端垂直風(fēng)切變、極端運(yùn)行陣風(fēng)以及極端風(fēng)向變化情況下，風(fēng)機(jī)扭矩存在較大波動(dòng)，其中極端風(fēng)向變化導(dǎo)致的波動(dòng)頻率較高，且最高功率超過(guò)5.5 MW，超過(guò)風(fēng)機(jī)額定功率，存在疲勞荷載破壞的可能性，威脅風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運(yùn)行安全。針對(duì)上述情況，應(yīng)根據(jù)風(fēng)力機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)合理選址并仔細(xì)分析當(dāng)?shù)貥O端風(fēng)況，進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)和優(yōu)化。

針對(duì)動(dòng)態(tài)來(lái)流對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡區(qū)內(nèi)的風(fēng)速分布進(jìn)行了研究，選取下游同一位置處進(jìn)行仿真分析，得到速度梯度及面流線的分布情況，如圖6所示。在X = D處，存在不同風(fēng)速分布及風(fēng)速分層，進(jìn)一步對(duì)UDF的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，且下游風(fēng)速更加復(fù)雜。同時(shí)，通過(guò)仿真得到不同風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)下游同一位置處風(fēng)速及強(qiáng)度分布，其風(fēng)速梯度和湍流強(qiáng)度如圖7所示。據(jù)圖7可知，正常垂直風(fēng)切變和極端運(yùn)行陣風(fēng)的速度梯度略低于均勻來(lái)流，此三種風(fēng)況下風(fēng)速尾跡分布相近，極端垂直風(fēng)切變條件下風(fēng)速數(shù)值最小，風(fēng)機(jī)下游尾跡流動(dòng)呈漩渦狀態(tài)，均勻來(lái)流的尾跡分布特征為以輪轂高度為中心的擴(kuò)散狀漩渦，由圖6（a）所示。動(dòng)態(tài)來(lái)流導(dǎo)致風(fēng)機(jī)尾跡出現(xiàn)較大變化，三種極端運(yùn)行陣風(fēng)工況下尾跡結(jié)果變化特性相近，渦核基本處于輪轂高度附近，但是渦旋的尺寸出現(xiàn)變化，由圖6（b）至由圖6（d）所示。橫向比較來(lái)看，風(fēng)機(jī)葉輪根部漩渦形狀較為規(guī)則，而在葉片尖端處則為不規(guī)則漩渦。極端風(fēng)向變化條件下風(fēng)機(jī)下游尾跡機(jī)構(gòu)呈不規(guī)則變化特性，由圖6（e）所示。

3.3? ?塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響

根據(jù)所選用的NREL5MW風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡的影響進(jìn)行了研究。選定風(fēng)機(jī)葉片數(shù)目為3片，額定轉(zhuǎn)速為12.1 rmp/s，可計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)周期值為5.04 s，葉片旋轉(zhuǎn)周期為1.68 s，葉片旋轉(zhuǎn)至塔架正前方的周期與風(fēng)機(jī)輸出扭矩波動(dòng)周期一致，設(shè)定時(shí)間參數(shù)t = 18.48 s，該時(shí)刻不同動(dòng)態(tài)來(lái)流條件下塔架存在狀況對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率變化的影響如表1所示。如表1所示，計(jì)算結(jié)果表明，塔架產(chǎn)生的塔影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率下降，即塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率會(huì)造成影響。同時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，塔架表面升力因葉片旋轉(zhuǎn)位置不同而產(chǎn)生變化，塔架表面升力隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，塔架表面升力隨時(shí)間呈周期性變化，變化周期與葉片旋轉(zhuǎn)周期相同，當(dāng)塔架位于片葉片尾跡區(qū)時(shí)，塔架表面升力驟降，塔架表面升力突變，這樣的長(zhǎng)時(shí)間周期性升力變化會(huì)導(dǎo)致塔架產(chǎn)生嚴(yán)重疲勞破壞。

對(duì)t = 18.48 s時(shí)刻不同高度處風(fēng)機(jī)葉片與塔架的相互影響進(jìn)行研究，結(jié)果如圖9所示。該時(shí)刻葉片位于塔架正前方，模型考慮到風(fēng)機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)，入流風(fēng)速應(yīng)為相對(duì)風(fēng)速，這與風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況相符。仿真結(jié)果表明在不同高度處尾跡區(qū)內(nèi)速度梯度的分布具有相似特征，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)分布特征發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片與塔架之間存在互擾干涉，且塔架背后的渦流可能影響風(fēng)機(jī)下游尾跡。

4? ?結(jié) 論

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行條件，使用Fluent中UDF模塊建立了正常風(fēng)況和極端風(fēng)況下動(dòng)態(tài)來(lái)流模擬，對(duì)動(dòng)態(tài)來(lái)流以及塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)下游尾跡影響進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，不同風(fēng)況下風(fēng)機(jī)功率輸出特性存在不同。其中，極端運(yùn)行陣風(fēng)下風(fēng)機(jī)的功率輸出明顯低于均勻來(lái)流下情況，而其他三種極端風(fēng)況下則出現(xiàn)了不同程度的功率過(guò)載現(xiàn)象。風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的塔影效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率和扭矩下降，塔架表面升力周期性波動(dòng)，波動(dòng)周期由葉輪轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，威脅塔架疲勞壽命。

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