易禮毅，凡 盛，胡杰樺，梁鵬程，馮學(xué)斌，詹佳普

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，株洲 412007)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，其發(fā)電性能受到各種各樣的自然因素影響，基于穩(wěn)態(tài)均勻流場(chǎng)的動(dòng)量-葉素理論在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。在風(fēng)電機(jī)組單機(jī)大兆瓦、大風(fēng)輪直徑的條件下，采用基于動(dòng)量-葉素理論開(kāi)發(fā)的軟件(例如風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件包GH-Bladed)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能時(shí)得到的計(jì)算結(jié)果還需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證工作[1]，因此，以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)作為輔助的氣動(dòng)性能驗(yàn)證工具被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中。

傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)使用薄翼型相對(duì)較多，隨著風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度和單機(jī)容量的增加，風(fēng)電機(jī)組荷載變大，對(duì)葉片設(shè)計(jì)的強(qiáng)度性能、剛度性能和重量提出了更高要求。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)也面臨著降本的要求，需要采用輕量化設(shè)計(jì)方案。因此，為了同時(shí)滿(mǎn)足大功率和輕量化的條件，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)，目前行業(yè)中已大量使用大厚度翼型來(lái)改善葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是大厚度翼型的失速性能比較差，且該翼型在葉根區(qū)域的攻角變化范圍大，因此改善葉根區(qū)域大厚度翼型的失速性能可以改善風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能。安裝渦流發(fā)生器(vortex generator，VG)是有效控制流動(dòng)分離的方法，因此開(kāi)展安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的研究具有重要意義。

渦流發(fā)生器最初廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，隨著其技術(shù)發(fā)展成熟，在風(fēng)電機(jī)組葉片領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。在風(fēng)電機(jī)組葉片表面安裝渦流發(fā)生器，可以認(rèn)為是在葉片的氣動(dòng)面上增加了小翼，由于其展弦比小，因此能夠產(chǎn)生比較強(qiáng)的翼尖渦。在葉片表面渦流發(fā)生器和葉片后緣之間的區(qū)域，高能量的翼尖渦可將能量傳遞給邊界層，使該區(qū)域處于逆壓梯度中的邊界層氣流獲得附加能量后能夠繼續(xù)貼附在葉片表面，不發(fā)生分離，從而可提高風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能，最終可增加風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率[2-4]。Miller等[5]在安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組葉片上開(kāi)展了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試證實(shí)了渦流發(fā)生器可以提高風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)效率。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量的研究工作，將渦流發(fā)生器應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)，驗(yàn)證渦流發(fā)生器在風(fēng)電機(jī)組葉片上的應(yīng)用效果[6]。渦流發(fā)生器的幾何參數(shù)，以及其在葉片表面的弦向和展向的安裝位置，能夠顯著影響風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能。何政洋[7]采用數(shù)值模擬的方法研究了渦流發(fā)生器參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的影響；薛丁云[8]分析了渦流發(fā)生器的弦向安裝位置、高度、間距等參數(shù)，以及雙列渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的影響，同時(shí)也開(kāi)展了風(fēng)洞測(cè)試，提出了對(duì)渦流發(fā)生器工程應(yīng)用的建議。

本文采用CFD仿真分析方法，使用流體仿真軟件Star CCM+建立某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的仿真分析模型，將CFD仿真結(jié)果與通用風(fēng)電機(jī)組仿真軟件GH-Bladed的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以驗(yàn)證CFD仿真分析方法的準(zhǔn)確性；然后對(duì)該風(fēng)電機(jī)組葉片安裝渦流發(fā)生器前、后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)葉片變槳前典型工況下安裝和未安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)輪軸功率進(jìn)行了對(duì)比。

1 風(fēng)電機(jī)組模型說(shuō)明

本文研究的某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑約為150 m，塔筒高度約為100 m，其三維模型示意圖如圖1所示。計(jì)算和仿真分析模型的外部條件統(tǒng)一設(shè)置為：空氣密度為1.225 kg/m3，空氣粘度為1.82×10-5kg/(m·s)。

圖1 某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的三維模型示意圖Fig. 1 Diagram of three dimensional model of a wind turbine

2 建立仿真分析模型

2.1 仿真分析的典型工況

通過(guò)采用風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件包GH-Bladed，可以計(jì)算得到該型號(hào)風(fēng)電機(jī)組在葉片變槳前，風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如表1所示。選取表1中的風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速作為本文CFD仿真分析的典型工況。

表1 在葉片變槳前風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between wind speed and wind wheel speed before blade pitch

2.2 湍流模型的選擇

本研究針對(duì)風(fēng)電機(jī)組同一運(yùn)行條件進(jìn)行CFD仿真分析，分別選用湍流模型k-w和k-e進(jìn)行計(jì)算。采用不同湍流模型時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

從圖2可以看出：分別采用k-w湍流模型和k-e湍流模型得到的收斂曲線基本一致，二者得到的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果偏差較小，相對(duì)誤差為0.04%。本文仿真模型選用k-e湍流模型。

圖2 采用不同湍流模型時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of calculation results of wind wheel torque with different turbulence models

2.3 網(wǎng)格劃分

風(fēng)電機(jī)組葉片和機(jī)艙罩、塔筒、地面之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用瞬態(tài)滑移網(wǎng)格方法，將整個(gè)流場(chǎng)分為葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域和周?chē)o止區(qū)域，二者之間通過(guò)交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞?？紤]風(fēng)電機(jī)組各部件的尺寸特點(diǎn)和流場(chǎng)中速度、壓力梯度的變化，在葉片尺寸較小的尾緣和彎曲的前緣，都需要較小尺寸的網(wǎng)格來(lái)保持葉片的幾何特征；在葉片附近的流場(chǎng)空間也需要較小的網(wǎng)格尺寸，來(lái)準(zhǔn)確捕捉氣流的變化，以及流動(dòng)狀態(tài)對(duì)葉片表面壓力的影響。采用多層加密的方式來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量，流場(chǎng)剖面的網(wǎng)格分布示意圖如圖3所示。

圖3 流場(chǎng)剖面的網(wǎng)格分布示意圖Fig. 3 Schematic diagram of grid distribution of flow field profile

從圖3可以看到：流場(chǎng)的網(wǎng)格尺寸及密度分布比較合理。

對(duì)于葉片表面安裝渦流發(fā)生器的區(qū)域，也需進(jìn)一步加密?？紤]到渦流發(fā)生器的厚度僅為2 mm，因此葉片表面安裝渦流發(fā)生器區(qū)域的局部網(wǎng)格尺寸相應(yīng)設(shè)置為0.2 mm。葉片表面安裝渦流發(fā)生器區(qū)域的網(wǎng)格分布示意圖如圖4所示。

圖4 葉片表面安裝渦流發(fā)生器區(qū)域的網(wǎng)格分布示意圖Fig. 4 Schematic diagram of grid distribution of VG area installed on blade surface

考慮到網(wǎng)格尺寸大小對(duì)計(jì)算結(jié)果可能造成的影響，分別設(shè)置不同的網(wǎng)格大小對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的基礎(chǔ)尺寸按照4:2:1的比例設(shè)置，以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格相關(guān)性。最終可得到3套不同網(wǎng)格密度的模型，網(wǎng)格數(shù)量分別為1600萬(wàn)、3100萬(wàn)和5200萬(wàn)。計(jì)算在6 m/s風(fēng)速下不同網(wǎng)格密度的風(fēng)輪軸功率，具體結(jié)果如表2所示。

表2 6 m/s風(fēng)速下不同網(wǎng)格密度的風(fēng)輪軸功率計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of wind wheel shaft power with different grid densities at 6 m/s wind speed

從表2可以看出：模型3與模型1的風(fēng)輪軸功率偏差為-2.6%，相對(duì)較大；模型2與模型1的風(fēng)輪軸功率偏差為-0.4%，基本一致。采用模型2的網(wǎng)格尺寸設(shè)置可以在計(jì)算資源和計(jì)算精度之間達(dá)到很好的平衡，因此，本文后續(xù)計(jì)算均采用模型2的網(wǎng)格設(shè)置。

2.4 求解設(shè)置

綜合考慮求解效率及精確度，本次仿真的時(shí)間步長(zhǎng)取0.05 s，內(nèi)迭代步數(shù)為5，物理時(shí)間設(shè)置為400 s。

3 結(jié)果分析

3.1 CFD仿真分析方法驗(yàn)證

對(duì)于未安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組仿真模型，分別采用GH-Bladed和CFD仿真這2種分析方法計(jì)算典型工況下的風(fēng)輪軸功率，可以得到2種分析方法的計(jì)算結(jié)果偏差，具體如表3所示。

表3 未安裝渦流發(fā)生器時(shí)典型工況下的風(fēng)輪軸功率對(duì)比Table 3 Comparison of wind wheel shaft power under typical working conditions without VG

從表3可以看出：CFD仿真結(jié)果與GHBladed計(jì)算結(jié)果高度吻合，二者得到的風(fēng)輪軸功率的最大偏差為-0.66%。

綜上可以得出結(jié)論：CFD仿真模型中的邊界條件、網(wǎng)格尺寸、物理模型、求解等相關(guān)設(shè)置的計(jì)算結(jié)果均可以滿(mǎn)足計(jì)算精度要求，從而驗(yàn)證了CFD仿真分析方法可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能。

根據(jù)以上分析，可以將同樣的邊界條件、網(wǎng)格尺寸、物理模型、求解等相關(guān)設(shè)置應(yīng)用于安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組仿真模型的設(shè)置。

3.2 安裝渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的影響

采用CFD仿真分析方法，對(duì)渦流發(fā)生器安裝前、后的風(fēng)輪軸功率進(jìn)行仿真，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 渦流發(fā)生器安裝前、后風(fēng)輪軸功率的CFD仿真結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of CFD simulation results of wind wheel shaft power before and after VG installation

從表4可以看出：在較低風(fēng)速(風(fēng)速為3～5 m/s)下，渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)輪軸功率影響較小；在較高風(fēng)速(風(fēng)速為6～8 m/s)下，渦流發(fā)生器可以較為明顯地提升風(fēng)輪軸功率，且在風(fēng)速為8 m/s時(shí)，風(fēng)輪軸功率可以提升1.94%，從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的改善也較為可觀。

當(dāng)風(fēng)速為8 m/s時(shí)，在展向?yàn)? m的相同位置，安裝和未安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組葉片表面的局部流線圖對(duì)比如圖5所示。

圖5 安裝和未安裝渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組葉片表面的局部流線圖對(duì)比Fig. 5 Comparison of local streamline diagram of wind turbine blade surface with and without VG

通過(guò)圖5的對(duì)比可以很明顯發(fā)現(xiàn)：氣流通過(guò)安裝有渦流發(fā)生器的風(fēng)電機(jī)組葉片表面時(shí)，流線可以相對(duì)更好地附著在葉片表面，從而延緩了流動(dòng)分離。

4 結(jié)論

本文采用CFD仿真分析方法對(duì)某型號(hào)風(fēng)電機(jī)組葉片安裝渦流發(fā)生器前、后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)葉片變槳前典型工況下的風(fēng)輪軸功率進(jìn)行了對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

1)使用CFD仿真分析方法得到的結(jié)果和GH-Bladed的計(jì)算結(jié)果基本吻合，證明CFD仿真分析方法可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪軸功率，從而為風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)提供參考。

2) CFD仿真分析方法作為評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能的一種有效手段，可以在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能是否符合預(yù)期。

3)渦流發(fā)生器可以明顯改善風(fēng)電機(jī)組葉片的失速現(xiàn)象，提升風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能，從而提高其發(fā)電效率，增加其年發(fā)電量；特別是對(duì)于風(fēng)速較高、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較大的環(huán)境，安裝渦流發(fā)生器可以使風(fēng)輪軸功率提高1.94%，提升效果更為顯著。因此，在風(fēng)電機(jī)組葉片表面安裝渦流發(fā)生器的方式可以在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)行推廣。