水平轴风力机叶轮流场的数值模拟_图文

1、第26卷第2期上海电力学院学报Vol .26,No .22010年4月Journal of Shanghai U niversity of E lectric Pow erAp r .2010文章编号:1006-4729(201002-0123-04水平轴风力机叶轮流场的数值模拟收稿日期:2009-06-30作者简介:闫海津(1984-,男,在读硕士,河北沧州人.主要研究方向为水平轴风力机叶片翼型及叶轮流场的数值模拟.E 2mail:yhaij36.基金项目:国家自然科学基金(50706025;上海市教育委员会科研项目(07ZZ144.闫海津,胡丹梅,李佳(上海电力学院能源与环境工程学院,上海

2、200090摘要:利用G AMB I T 建模软件对某大型水平轴风力机进行了整机建模,采用计算流体力学软件F LUE NT 对风力机整机的流场进行了数值模拟,给出了水平轴风力机流场数值模拟的原理和一般性步骤,得到了风力机流场的压力分布、速度分布,以及叶片截面的流动分离情况等结果.对风力机流场的数值模拟和分析可为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供一定的指导.关键词:水平轴风力机;叶轮;流场;数值模拟中图分类号:S213;TP335+.4文献标识码:ANu meri cal Si m ul ati on of Flow Fi eld for Hor i zont al 2axisW i n d

3、Turbi n e RotorY AN Hai 2jin,HU Dan 2mei,L I J ia(School of Ther m al Po w er and Environm ental Engineering,Shanghai U niversityof Electric Po w er ,Shanghai 200090,China Abstract :The 3D model of wind turbine blades is built by using the s oft building s oft w are of Ga mbit,and the nu merical si

4、m ulati on of the aer odyna m ic perf or mance of fl ow field f or 3D wind turbine r ot or is made by using computer aer odyna m ic s oft w are .The theory and step s of nu merical si m ulati on of fl ow field f or horiz ontal 2axis wind turbine r ot or is summarized .The p ressure andvel ocity dist

5、ributi on of fl ow field and the p ressure and vel ocity distributi on ar ound the blades are calculated .Si m ulati on and analyses will op ti m ize the unit design t o i m p r ove the research ability,and p r ovide s ome advice f or the design and research of blades .Key words :horiz ontal 2axis w

6、ind turbine;r ot or;fl ow field;numerical si m ulati on风力机是将自然界的风能转换成机械能并获得电能的装置.水平轴风力机风轮气动性能对整个风力机的运行特性和使用寿命起决定作用.随着风力发电技术在我国的进一步推广和风力发电机组的广泛应用,对风力机气动性能的预测研究越来越受到重视.目前,国内一些风力机研究机构对翼型的气动性能进行了大量的模拟和计算,而风轮和整机的气动性能还主要依靠风洞实验来获得.通过对风力机流场的数值模拟,可以获取叶片的部分气动性能,而且数值模拟的成本要远低于风洞实验的成本.因此,采用数值模拟方法来研究风轮的气动性能对于优化风力

7、机叶片和提高风力机运行效率具有重要意义.本文以某大型水平轴风力机为研究对象,进行了整机的数值模拟,深化了对风力机三维叶片的气动性能的了解,可为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供一定的指导.1风力机模型建立及流场网格划分本文以某大型失速调节水平轴风力机作为研究对象,进行风力机流场的数值模拟研究.风力机风轮参数和部分叶片截面参数1分别见表1和表2.由于叶片各个截面的参数形式上是一样的,只是数值上有所差异,故本文只给出了叶片的前、后部分共6个截面的数据.表1风轮参数风轮直径风轮中心高度轮毂中心到塔架中心距离m 61604.2轮毂直径/m 风轮额定转速/r m in -1翼型系列偏航角/(°

8、;2.819.27NACA634表2叶片截面参数截面号到叶片根部距离/m 弦长/m 安装角/(°厚度/%10.00 1.6900.001002 1.80 1.6900.0010032.951.8085.41792628.900.2160.00162729.000.1120.00252829.100.0120.0050利用建模软件G AMB I T 作为建模工具生成了风力机整机模型.借助G AMB I T 的实体化曲面处理能力,从风力机叶片各个截面翼型的原始二维 坐标数据出发,构造出叶片截面翼型的样条曲线,然后根据各个截面的翼型、弦长、安装角和翼型厚度等数据的几何变换,得到各个截面在空

9、间的实际位置的三维坐标,并导入在G AMB I T 中形成的叶片各个界面的翼型的曲线,最后利用建模软件建立三维模型,如图1所示.并在此基础上建立了风力机的整机模型2,3.图1风力机的三维立体模型图2给出了风力机流场计算区域的边界和网格分布.为了尽量减少计算区域边界对结果的影响,风力机模型后部流场区域长度取风轮直径的4倍,前部流场区域取风轮直径尺寸,环形流场区域边长为风轮直径的2倍.由于风力机叶片表面结构复杂,为缩短计算时间,对风力机各部分表面421上海电力学院学报2010年进行网格加密处理,采用非结构化网格对流场区域进行网格划分3,见图2.网格总数达90万之多 .图2流场区域及网格划分2数值模

10、拟方法2.1湍流模型选择RNG2提供了考虑低雷诺数流动粘性的解析公式.这些特点使得RNG2模型在许多流动情况下具有更高的可信度和精度4,5.因此,本文在数值模拟计算中选择RNG2模型,其输运方程为:D D =99x i +t 99x i+G -D D t =99x i +t 99x i +C 1G -C 322C 32=C 2+C31-01+3式中:t 湍流涡团粘性系数;G 平均速度梯度引起的湍动能的产生项;G ,C 1,C 2,经验常数.各湍流模型常数分别为:G =0.0845;C 1=1.42;C 2=1.68;=0.72;=0.75.2.2边界条件设定(1假定进口边界处具有相同的风速,且

11、不考虑风速切变的影响.设置进口为速度进口边界.(2在出口边界处假定流动充分发展,由于求解前出口处流速和压力未知,所以设置出口为出流边界.(3叶轮和塔架设定为无滑移固壁边界.由于在确定计算区域时已经考虑到了计算区域外边界对计算的影响,故选用相对于叶轮直径较大的区域外边界,可忽略外边界对计算的影响,其边界条件也可作为固壁边界来处理5,6.2.3定解条件(1采用分离式求解器(segregated s olver 进行求解,即按顺序逐一求解各方程.(2采用隐式算法,将离散的非线性控制方程线性化为在每一个计算单元中相关变量的方程组,即对于给定变量,单元内的未知量用邻近单元的已知和未知值来计算.(3流场中

12、只存在空气单相流动,这里暂不考虑风沙、水滴等多相流情况.空气密度和空气动力粘度依据模型提供的常规值且保持为常数.(4因为气流(空气密度很小,所以可以不考虑重力的影响.(5在求解过程中可以假定所有过程都是绝热过程,即不考虑热传导与太阳辐射.(6湍流模型采用RNG 2模型.(7方程中压力2速 度耦合采用SI M P LE (Se m i 2I m p licit Method f or Pressure 2linked Equa 2ti ons 算法,即求解压力耦合方程组的半隐式方法,它属于压力修正法的一种,是目前工程上应用最为广泛的流场计算方法,主要用于求解不可压缩流场的数值(也可用于求解可压流

13、动.其核心是采用“猜测修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压力场,从而达到求解动量方程(Navier 2St okes 方程的目的6,7.3数值模拟结果及分析本文计算了风力机在来流风速为30m /s 情况下,风力机处于大风停机状态的整机的流场.经过140次迭代计算收敛后,利用F LUE NT 的后处理功能进行处理,可以有效地观察和分析流动计算的结果.图3为风力机旋转平面的压力等值线.图3风轮旋转平面上的压力等值线从图3可以看出,风力机3个叶片流场的压力等值线分布几乎是相同的,说明叶轮在停机状态下,3个叶片之间没有相互影响;在叶片附近的521闫海津,等:水平轴风力机叶轮流场的数值模拟等值线较密

14、,数值变化也较大,反映出叶片表面附近的压力梯度较大,这与现实情况相吻合.图4为风力机铅直面上的速度等值线.从图4可以看出,风轮及塔架附近的速度梯度较大,靠近风轮附近的区域速度变化较快,但是风轮后的速度等值线是逐渐扩大的,说明在流过风力机叶轮后气流速度恢复为来流速度的过程较为漫长8,9 .图4风力机铅直面上的速度等值线图5和图6分别为叶片在半径为5m 和2.5m 处截面的速度矢量图 .图5半径为5 m 处叶片截面速度矢量示意图6半径为2.5m 处叶片截面速度矢量示意从图5和图6可以看出,气流从翼型前缘流进,从翼型的尾缘流出,这是典型的翼型流动特性.在半径为5m 的叶片截面处,气流还没有在翼型表面

15、发生脱离现象,表现为较好的附着流动;但在半径为2.5m 处,气流发生了严重的漩涡脱离现象.这主要是由叶片各个截面翼型的厚度和安装角不同引起的.由于文中模拟的对象为定浆距失速调节型风力机,在半径为5m 的截面处还没有分离现象出现,而在半径为2.5m 的截面处就发生了较为严重的流动分离现象,这正是定浆距失速调节型风力机的工作特点:在风速较小时,各个截面都不发生分离失速现象,功率随风速的增加而增加;当风速较大时(超过设计风速,从叶片根部开始发生流动分离使叶片失速,并随着风速的增加逐渐向叶尖方向扩展;失速部分功率减小,而还未发生失速部分的叶片输出功率继续增大,这样基本维持风轮的输出功率不变10,11.

16、4结束语风力机整机所处的空间流场很复杂,在实际应用时要综合考虑叶轮旋转效应、风速梯度、地面效应、塔架效应等因素对流场的影响.因此,还需对这些影响因素作进一步的分析和研究.参考文献:1陈严,刘雄,刘吉辉,等.动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用J .太阳能学报,2008,(10:129721232.2陈家权,杨新彦.风力机叶片立体图设计J .机电工程,2006,(4:37240.3MANDAS Natalino,CAMBUL I Francesco,CARCANGI U Ca 2rl o Enrico .Numerical p redicti on of horizontal axis

17、 windturbine fl ow D .University of Cagliari,Depart m ent ofMechanical Engineering,2006.4张庆麟.风力机叶片三维气动性能的数值研究D .北京:清华大学,2007.5张果宇,蒋劲,刘长陆.风力发电机整机气动性能数值模拟计算与仿真研究J .华东电力,2009,(3:4502453.6韩占中,王敬,兰小平.F LUENT 流体工程仿真计算实例与应用M .北京:北京理工大学出版社,2004:652137.7杨从新,李春辉,巫发明.水平轴风力机专用翼型的数值模拟研究J .科学技术与工程,2008,(9:499424998.8胡丹梅,杜朝辉,朱春建.水平轴风力机静态失速特性J .太阳能学报,2006,(3:2172222.