基于仿生原理风电叶片气动控制研究 宋娟娟

1、中国工程热物理学会 流体机械学术会议论文 编号：097086基于仿生原理风电叶片气动控制研究宋娟娟1,2，张明明1，徐宇1，黄宸武1,2，徐建中1(1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院研究生院，北京 100049)(tel: email: jjsong)摘要: 风电机组运行受环境条件影响较大。结冰、昆虫污染以及沙尘侵蚀都将对风电叶片表面粗糙度产生影响，从而导致整个风电机组性能恶化、寿命缩短。目前加热或停机清洗方案均需耗费大量的人力和物力；表面贴膜造价高又需要经常更换，影响了风力机的经济运行。国际学术界在仿生学上的最新研究成果，为这些问题

2、的解决带来了新的思路。因此本文尝试应用仿生学原理对风电叶片结构进行改进，以期解决环境造成的影响，达到控制风电机组的气动性能的目的。关键词: 风力机; 叶片; 气动控制; 增升; 减阻0前言风电机组在风场运行过程中，其气动性能受环境影响较大，恶劣的环境会对风电叶片表面粗糙度产生影响，从而导致整个风电机组的性能恶化、寿命缩短。我国风资源主要集中在北部、西北、东北的草原和戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿。这些地区在冬春季风速高，雨水少，气候寒冷或干旱似沙漠；在夏季则风速小，降雨多，气候温湿。这样的气候条件都会给机组带来不利影响。在寒冷季节，风电叶片乃至整个风电机组外表会产生结冰现象。冰雪初期的

3、附着对叶片气动性能影响不大，反而在一定程度上，风力机会因失速延迟而使输出功率增加；随着结冰的加剧，叶片的气动载荷会产生急剧变化，从而给运行带来了潜在的危险。在某些情况下，严重的结冰可能会导致风电机组完全瘫痪，造成大量的能量损失，据统计其年损失发电量可高达20-50%1。此外，冰块从旋转的叶片上脱落并甩出也会给周边的建筑、交通和行人带来安全隐患。甚至还会造成风力机的损坏2。在湿热季节，适宜的温湿度适合各类昆虫的存活。当气温在10以上、风速较低时，昆虫撞击叶片并粘附在叶片前缘造成了污染3，使得前缘粗糙度增加，进而导致气流摩擦阻力的增加，影响了风电机组的功率输出。昆虫污染程度较低时，功率损失约为8%

4、；污染程度较高时，功率损失则可达到55%4。这对于风电机组的经济运行是非常不利的。虽然昆虫很少在高风速条件下飞行，但是在低风速条件下昆虫堆积已经造成了叶片前缘的污染也将影响高风速时的风电机组的气动性能，增大摩擦阻力，降低功率的输出。叶片污染越严重，其失速越快，升力损失也越多。在干旱季节，虽然没有结冰和昆虫污染现象的困扰，但是大风从地面卷起的尘土和沙粒会撞击、侵蚀叶片，尤其是叶片前缘。与昆虫污染叶片带来的影响相似，叶片前缘变得粗糙，气动性能恶化，功率输出减少，寿命降低。上述气候条件都会破坏风力机叶片原有的气动性能，最终导致发电量的减少。为应对环境给风力机的经济、安全运行造成的影响必须找到一种行之

5、有效的解决方法。人们发现一些关于植物和动物的相类似的功能，超越了人类自身在此方面的技术设计方案。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。因此，本文尝试应用仿生学原理对风电叶片结构进行改进，以期有效解决上述问题，达到控制其气动性能的目的。1现有解决方案 1.1解决结冰问题近年来，人们已经进行了深入研究，并采用航空领域的一些方法，来防止结冰现象的发生。在冰雪附着初期，因其结构不太密实，通常在叶片上安装加热系统，采取直接电阻加热的方法防止叶片结冰，这种方法在实践中取得了良好的效果5。也有在叶片表面涂刷黑色涂层6，通过光照吸热来使冰雪融化；但是在夏季高温条件下，叶片材料

6、的高温敏感性会受到黑色涂层影响。此外，在叶片内部采用热空气或者其他一些热辐射的间接加热方式也有应用。但是随着冰雪在叶片上的不断堆积，简单的加热和贴膜是不能使冰雪完全融化并脱离叶片的。1.2解决昆虫污染和风沙侵蚀问题自然降雨对叶片的冲刷可在一定程度上缓解昆虫和沙尘污染的问题，但很大程度上取决于天气条件；而人工清洗则需在风力机停机状态时来进行。因此人们提出一种新的可控的叶片清洗方式，即将水向空气中喷洒，使清洗工作在风力机运行的情况下即可完成7。随着风力机专用翼型族的不断开发与改进，前缘低粗糙度敏感性已经被设计者们列入到了优化目标之中，这将为风力机的高效运行提供保障。此外，不粘涂层和纳米复合材料贴层

7、的优异性能，也可以防止昆虫、沙尘在叶片上的附着以及对叶片的撞击和侵蚀。n.dalili对表面涂层在风电叶片上的应用进行了深入的研究和详细的阐述4。2仿生学简介仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。国际学术界在仿生学上的最新研究成果，为以上问题的解决带来了新思路。仿生学是参照生物的优良结构和特性，为工程技术服务的科学，是生物科学与工程技术科学的交叉学科。仿生技术是通过模仿各种生物系统所具有的功能原理和作用机理来推动技术的创新和发展。在现实生活中，仿生技术成功应用的例子很多，例如，仿生学家们根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制出可以检测气体成分的气体分析仪；根

8、据萤火虫可发出冷光这一现象，成功得到类似生物光的人工冷光；由电鱼的放电本领研究出发，设计出世界上最早的伏特电池；仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪；建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷；吉林大学研制的仿生深松铲就比传统铲省力（减阻19%），甚至比日本岛根公司的名牌铲要好用（减阻6%-8%）8；美国人仿照鲨鱼皮原理制成的新型环保涂层，为海军舰艇有效摆脱海底生物的骚扰，提高航行速度、节省燃料起到了作用。土壤动物和大型海生动物的体表形态特征，已被证明具有减阻增升作用，并且已应用在相关领域。形态仿生已成为仿生

9、领域研究的热点。因此，尝试在风能领域引入仿生设计的理念，必将为风电叶片的减阻增升和气动性能的提高带来新的进展。以下将从仿生形态出发，以仿鲸鱼鳍、鲨鱼皮、海豚皮以及生物非光滑表面为例来阐述它们在风电叶片气动控制方面的研究情况应用的可能性。3基于仿生原理的解决方案3.1 仿鲸鱼鳍鲸鱼鳍具有凹凸不平的表面，其中突起的部分有助于形成涡旋，这些涡旋以更平稳的方式给鲸鱼带来更大的动力，较大程度的减小阻力。这一事实，已被风洞的实验所证明，带有鲸鱼鳍前缘结构的叶片模型与光滑叶片模型相比，可在较大攻角下实现平缓失速，且在不增加阻力的同时提高了升力9。两种情况下的失速角分别为16.3和12；前者最大升力略有增加；

10、攻角在12-17时前者阻力系数较后者小，而在10-12范围内，前者的阻力系数略大；前者的最大升阻比较前者有所提高。如图1所示。 图1 风洞实验升力、阻力曲线图。实线表示光滑模型，三角形表示仿鲸鱼鳍的叶片模型。a)升力系数cl; b) 阻力系数cd; c)升阻比l/d; d)光滑模型与仿鲸鱼鳍模型10.derrick custodio11对naca63-021进行的水洞实验表明，仿鲸鱼鳍的翼型升力增加平滑，失速前在一定攻角范围内其升力系数小于光滑翼型，但是最大升力系数比光滑翼型增加50%以上。watts等人12采用面元法对翼型段进行计算得出，攻角为10时，仿鲸鱼鳍结构的翼段与光滑翼段相比，其升力

11、增加4.8%，阻力减小10.9%，升阻比提高17.6%。paterson等人13采用雷诺平均n-s方程方法(rans)对naca63-021进行了非定常数值模拟。与光滑翼段相比，仿鲸鱼鳍结构的翼段的流动分离方式和表面压力分布都有很大的改变（如图2所示）。在前缘波峰部分的下游，分离甚至可推迟至尾缘，这可能是由于吸力面上的压力增加所致；前缘波谷的下游则会产生弦向涡；此外，流体绕过凹凸结构之后，流动会加速。这些现象都将导致失速线在翼段上的进一步推后。流体在仿鲸鱼鳍翼段可比在光滑翼段上较长时间保持附着流动，流体将被引导环绕突峰运动，在叶片吸力面形成涡漩，增强与自由层动量交换，因而降低负压梯度，由于湍流

12、边界层中含能比层流边界层中多，使得边界层分离推迟14。采用仿鲸鱼鳍的方式，期望能够在实现减阻增升的同时，可以利用其漩涡使得沙尘等异物不能直接接触到叶片表面，减少沙尘、昆虫等对叶片的冲蚀。 图2 naca63-021在攻角为10时的等压线与流线图。左图为光滑翼段，右图为仿鲸鱼鳍翼段。3.2 仿鲨鱼皮和海豚皮鲨鱼和海豚是海洋生物中游动速度较快的一种，它们的快速游动和表皮的结构（鲨鱼的鳞呈盾状，表皮非常粗糙，皮肤的分子结构呈矩形排列，表面有许多微小的突起；海豚在游动时皮肤收缩，上面形成很多小坑，此外它的特殊的柔性壁面15-16使得壁面剪切力和总的剪切力减小）给人们带来了启发。于是人们开始探索仿鲨鱼皮

13、和仿海豚皮的减阻技术，图3（b）（c）就是将鲨鱼皮结构简化后得到的一种简易结构，称为二维和三维肋条。图4是实验室用人造海豚皮。美国海军研究部门仿制的人工海豚皮用于潜艇表面，使潜艇的航速成倍提高。 图3 (a) 显微镜下的鲨鱼皮结构 (b) 仿鲨鱼皮的二维肋条结构 (c)仿鲨鱼皮的三维肋条结构图4 实验室用海豚皮nasa兰利研究中心是最早开展平板肋条减阻技术研究的代表，他们发现顺流向的微小肋条表面能有效降低壁面摩阻；当肋条高度h和间距s的无量纲尺寸h+25和s+30时具有减阻特性，减阻效果最佳时肋条的尺寸为h+= s+=15，这时可减阻8%。17-23随着航空业的发展以及日益严重的能源短缺问题，

14、飞机减阻方面的研究越来越受到关注。飞机飞行时的表面摩擦阻力占其所受总阻力的40-50%，即使减阻程度很小都可能会带来相当可观的能源节约24。美国3m公司生产的微尺度v形肋条胶膜，为肋条减阻的研究和应用提供了很多的便利。coustols和cousteix25在低风速条件下对lc100d翼型段吸力面贴肋条胶膜，测得攻角为0和2时，总阻力减小约为2%。caram和ahmed26对naca0012翼型段零攻角时近尾缘处的尾迹区湍流流动进行了研究，肋条高度h=0.152mm时总的减阻达到13.3%，h=0.076和0.023mm时分别为2.7%和7.3%，减阻率不是随h单调变化，且比其他文献中的测量值高

15、很多，可能是由测量精度误差造成。viswanath27-29对低风速条件下攻角范围为0-12的naca 0012翼型段采用尾迹测量法进行了减阻实验，在上下表面80%的弦长范围沿流向贴附了肋条贴膜。肋条高度h=0.152mm、零攻角情况下，减阻7%；攻角为6时，减阻高达13%。空客a320试验机约70%的表面积贴上肋条薄膜，达到了节油1-2%的效果。nasa兰利中心在learjet型飞机上进行飞行试验，减阻约6%。李育斌等人30在1:12的运七模型具有湍流流动的区域，顺流向粘贴肋条薄膜后，得到了5-8%的减阻效果。海豚及鲨鱼游动时，其肋条状结构的表皮减小了阻力。肋条具有减阻效果与形成的表观起点3

16、1-32（如图5所示）有关。在表观起点以下，凹槽内的流动为粘性所阻滞,相当于增加了粘性底层的厚度,减小了壁面上的平均速度梯度,使边界层内整个湍动变化减小,从而使肋条表面的摩擦阻力减小。此外，流向与肋条布置夹角的不同也将影响减阻效果。顺流向布置的肋条可抑制纵向涡的发展和湍流边界层猝发过程的发生，从而减小阻力。而横流向布置的肋条会阻碍流动，因此顺流向肋条减阻方式多被采用。图5 肋条表面的纵向流动与横向流动3.3 仿土壤生物非光滑表面土壤生物能够适应自然环境，整个体表都具有脱附减阻能力，基于生物非光滑形态设计的仿生非光滑推土板及仿生犁壁，具有良好的脱附减阻性能。田丽梅等人对回转体非光滑表面33-39

17、进行了实验研究及数值模拟，凹坑（凹环）和凸包表面都可使总阻力有一定程度的减小。凹坑（凹环）单元内部存在低速旋转气流，它的作用相当于“滚动轴承”，使高速来流与凹坑内部气流形成气气接触，可以减小凹坑单元壁面附近的速度梯度，从而减小表面摩擦阻力。凸包单元可以减少表面接触面积，从而减小表面摩擦阻力。同时，非光滑表面可使相对于运动气体微团对固体表面阻力发生改变，导致流动从层流向湍流转捩，从而推迟分离的发生，减小压差阻力40。3.4 小结以上采用仿生技术推迟失速，增升减阻，主要通过控制边界层的分离来实现：延迟层流到湍流边界层的转捩和提前转捩两种途径。层流边界层的摩阻低于湍流，而湍流边界层承受逆压梯度的能力

18、较强，具有强烈的混合效应，有利于削弱分离。目前该方面的应用研究还只限于单一流体在航空与水下航行器作用时的效果分析。风电叶片与航空翼型存在相似性，因此，结合风电场实际情况，在风电叶片上气动控制方面进行仿生研究，将会带来巨大的实用价值。 4 总结与展望（1）目前的仿生减阻成果大多应用在航空与水下航行器等方面，将其拓展应用到风力机上实现有效减阻很有现实价值。针对风力机防结冰和抗风沙、昆虫侵蚀的仿生研究还有待人们进一步去探索。（2）飞机翼型与风力机专用翼型设计的气动性能要求不同，运行环境也存在很大差异，因此风力机减阻和气动控制的方法也应不同。其工程应用可以根据实际情况进行研究，前景非常广阔。（3）多样

19、化的减阻方式与联合减阻技术的研究开展，必将进一步促进风力机在多变气候环境下的仿生减阻及气动控制研究。（4）采用数值模拟计算和实验相结合的研究方法，可以进行相互验证，尽量实现时间和成本的最优化。计算方法、实验测量手段都是值得深入研究的方向。（5）因涉及湍流边界层结构问题，目前的仿生机理性研究还只是处于推测，其真实机理的最终揭示还需要人们继续探索。参考文献1 talhaug l, vindteknik k, ronsten g, et al. wind energy projects in cold climates. 1st ed. executive committee of the inte

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