风力机叶片表面载荷分布的数值模拟

风力机叶片表面载荷分布的数值模拟

0种风力机气动性能研究屋顶发电是屋顶使用的主要形式。近年来，我国大力发展了屋顶行业和屋顶技术。2015年12月下旬，中国的屋顶能力首次超过1亿元。风力发电的关键在于风力机叶片捕风能力,叶片的气动性能就显得尤为重要。长期以来,国内外专家学者对各种风力机气动性能进行了大量研究,主要有实验研究和数值模拟两个方面。实验方面最著名的是美国NREL进行的非定常空气动力学实验,共进行了6期,既有风场实验也有风洞实验。其中,第6期是数据最为全面的一次风洞实验,包括风速变化、桨距角变化及偏航等各种条件下的1700多种实验无论是国内还是国外,通过实验或数值计算的方法对风力机气动特性进行研究主要集中在定常情况下,即给定风速或者风轮转速,对于非定常的研究则相对较少。即使是非定常的研究,也大都是速度随时间周期变化的一种情况,对于处于大自然风况下的风力机性能的探究很少,尤其是实验研究,很难做出符合大自然条件下的风。基于这种情况,本文选取了更符合自然环境的3种风况:垂直切变风、运行阵风和风向变化风,对NREL5MW风力机进行了数值模拟1建模和划分网络1.1翼型的拟合成体本文所选风轮直径D=126m,叶片通过一系列翼型过渡组成。对于风力机模型的建立,从叶片翼型开始,翼型建好后,绕其气动中心旋转一定的角度,最后将一系列翼型放样拟合成体,形成一个叶片。风轮建模完成后,建立一个旋转域将其包住,旋转域外是静止域,静止域进口距叶轮2.5D,出口距叶轮20D。整体模型如图1所示,X轴正方向为来流方向,YOZ平面为旋转域所在平面,轮毂中心位于坐标轴原点。1.2旋转域网格的生成本文通过ICEM-CFD建立高质量的结构性网格,首先对旋转域划分网格,然后对静止域划分网格。对于旋转域,运用周期性网格方法,对1/3叶轮划分网格,如图2(a)所示,然后旋转复制,生成整个旋转域网格,如图2(b)所示。ICEM-CFD建立结构性网格的原理是块的划分,用划分的块来代表模型进行网格划分。对于叶轮,用一个块代替,对于扭曲度较高的根部及叶尖部分,将整体块切成小块,以此减小网格的扭曲度。对1/3叶轮网格划分时,叶片部分进行O-block剖分,因为包围轮毂部分的是三棱柱块,所以对轮毂部分进行Y-block划分。为了更好的模拟叶片表面的特征,叶片表面第一层网格高度为1mm,并以1.12的增长率进行加密处理,旋转域网格总数为198万,整个模拟区域网格总数为287万。叶片根部及翼型表面网格分布如图3所示。2计算方法和风速条件2.1基于流体性能的新能源方法本文模拟假设流体不可压缩且忽略传热,模拟过程的计算基于N-S方程,采用SIMPLE算法,湍流模型为RNGk-ε,离散方程格式采用二阶迎风。N-S方程即质量、动量守恒方程为大家所熟知,而SIMPLE算法则是早在1972年提出的基于解压力耦合的算法,是全世界流体计算中应用最广泛、最成熟的一种算法,RNGk-ε方程考虑了湍流漩涡,提高了计算精度。风轮的旋转用滑移网格技术实现旋转区域的网格旋转,叶片跟着网格以相同转速旋转。质量守恒方程:式中:ρ为流体密度;u为速度矢量U在x坐标上的分量;v为速度矢量U在y坐标上的分量;w为速度矢量U在z坐标上的分量。动量守恒方程:式中:μ为流体动力粘度。2.2风速条件下的条件风力机运行所处自然风况数学模型由统计学得出,根据风力发电机组设计要求,主要有垂直风切变模型、阵风模型和风向变化模型2.2.1垂直风窗模型垂直风切变模型的风速大小随着水平高度的不同而变化,其数学表达式如下:式中:x2.2.2计算型的性质在垂直风切变模型的基础上,风力发电规范规定了周期为1a的阵风模型,数学表达式如下:式中:V(y)采用式(5)计算;V式中:σ为湍流风速纵向风量的标准偏差,σ=2.1m/s;β为常数,当周期为1a时,β=4.8;Λ为湍流尺度参数,Λ=21m;D为风轮直径,D=126m。2.2.3程序编写重复周期为1a的风向角度变化数学模型为式中:θ以上3种风速模型需编写UDF程序,程序的编写可用C语言实现,应用Fluent的编译接口,即可模拟动态来流。对于风向变化模型,由于Fluent无法识别角度变化,在程序编写时将角度变化转换成速度分量的变化即可。2.3旋转时间、速度本文数值模拟进口条件为velocity,速度由UDF程序给出,出口为out-flow,旋转域的角速度为1.267rad/s,叶片及轮毂设为wall。3结果与分析3.1速度、风向变化模型为了验证所编写的UDF程序已经起作用,同时为了验证UDF的正确性,我们将具体的模拟数值与理论计算值进行对比。对于垂直风切变模型,以轮毂中心高度为基点每隔20m上下各取几个点的速度值;对于阵风模型,在速度进口处设置一监测点(-322,0,0),监测速度随时间的变化规律;对于风向变化模型则取风向角随时间的变化规律,结果如图4所示。由图4可以看出,模拟值与理论值吻合情况良好,误差很小。在风向变化工况下,风向角较小时,模拟值与理论值的误差很小,随着风向角度的增大,误差稍微变大,这是因为外流域墙壁的干扰。自然情况下,风是从无限大空间吹过来,而在模拟时需要划定一个外流域,虽然外流域相对风轮来说已经很大,但是在风向发生变化时还是会受到墙壁的干扰,并且来流风向角度越大,受到的干扰也越大。综上所述,我们认为UDF程序已经作用于计算过程,并且程序的模拟值与理论值一致,可以近似代替自然动态风况3.2结果分析3.2.1均匀来流、垂直风切变模型风力机运行过程中会受到气动载荷、重力载荷和疲劳载荷的影响,载荷的变化会影响风力机的使用寿命。本文计算了不同风况下叶片表面的气动载荷,在3个叶片的相同位置,分析其载荷分布情况。图5和图6分别给出了在30%和60%叶高处翼型截面载荷分布情况(图中a/c代表翼型表面上点的相对位置,a指当二维翼型的翼弦与坐标轴横轴重合、前缘点位于原点时翼型表面上点的横坐标,c指翼型弦长)。从图5,6中可以看出,在30%和60%叶高处,均匀来流与垂直风切变模型3个叶片翼型压力面与吸力面的压力分布几乎一致,而且垂直风切变模型和均匀来流的压力曲线几乎一样,这是因为垂直风切变模型最接近均匀来流;阵风模型与风向变化模型3个叶片的载荷分布也几乎一致,只是在靠近翼型前缘处有稍微的差别;在30%叶高处,均匀来流、垂直风切变模型和阵风模型翼型吸力面的最大负压在1000Pa左右,压力面最大正压在600Pa左右,压力面与吸力面的压差为1600Pa;但是风向变化模型下的吸力面的最大负压在2000Pa左右,压力面最大正压在800Pa左右,压力面与吸力面的压差为2800Pa;同样在60%叶高处,风向变化模型下的吸力面的最大负压与压力面的最大正压也比其他3种模型的值大。如果叶片长期在超出其最大载荷设计值的工况下工作,会使叶片产生断裂,严重影响叶片的寿命。3.2.2中心向外分层过渡,引导风轮功率输出本文主要通过分析气流经过风轮后尾迹的分布情况来研究动态来流对近尾迹的影响。图7给出的是不同风况下的轮毂中心径向速度云图及风轮后1D(D为风轮直径)处截面流线图。通过切向的速度云图可以看到,均匀来流、垂直风切变模型和阵风模型的速度亏损都有一定的规律,以轮毂为中心向外分层过渡,均匀来流风况速度分布几乎对称,并且垂直风切变模型的过渡趋势比阵风模型更加规整,这是因为垂直风切变模型更接近于均匀来流。相比其它两种情况,风向变化模型的速度亏损情况则是杂乱无章,风向及风速的不断变化将使风轮处在更加恶劣的环境下,对风轮功率的输出及其使用寿命都会产生很大的影响。分析风轮后1D截面处的流线图,尾流是旋转运动的,其旋转半径由内向外不断增加,漩涡中心位置因不同情况而有所不同。均匀来流涡心处于轮毂正中心处,垂直风切变模型漩涡中心几乎处在轮毂中心处,阵风模型的漩涡中心在轮毂中心偏下的位置。涡心的位置与径向速度云图中速度的分布相对应,气流也以与风轮相反的旋转方向有规则的向后运动。而风向变化模型由于来流风的方向不断发生变化导致没有明显的涡结构,气流流动无规则可循,这是因为上一时刻产生的涡会立刻被变向风所干扰,同样对应的径向速度分布也十分不均匀。3.2.3尾流速度分布分析远尾迹的主要目的是让风机群在风场中能够合理地布置,减小上游风机对下游风机的干扰。在本文动态来流的研究中,远尾迹的速度恢复情况如图8所示,其给出的是不同风况下风轮后方不同位置轮毂中心的轴向速度分布情况。从图中可以清晰的看到,在风轮旋转域外,受到旋转尾流干扰较小,速度分布较均匀,越靠近旋转中心,受到的影响越大,速度变化越剧烈。垂直风切变风况下,风轮后4D处轴向速度分布已接近成一条直线,说明在4D处速度已经回复到接近主流速度。阵风风况下,在6D处速度恢复到接近主流速度。风向变化风况下,直到10D处,速度的波动幅度才稍微变小,但是速度分布仍然不均匀,相比其他两种风况,其速度恢复更加困难。如果某地盛行风向变化风,此地是不宜建风机群的。为了更直观的分析不同风况下尾流速度的分布情况,图9给出了不同位置处3种风况的速度恢复情况。从图中可以看到,垂直风切变模型在2D处轮毂中心的速度已经接近主流速度,在4D处已经几乎与主流速度相等,阵风模型在6D处才几乎与主流速度相等,而风向变化模型在8D处旋转域外的速度才趋于稳定,轮毂处的速度依然有不小的波动。很明显,垂直风切变模型的尾流速度恢复最快,阵风模型次之,风向变化模型最慢。4动态来流和阵风来流系统近尾迹载荷的影响本文通过数值计算,分析了不同风况对风力机性能的影响,得出以下结论。①垂直风切变风况、阵风风况对运行中的3个叶片表面的载荷分布影响较小,风向变化风况对叶片表面的载荷分布影响较大,会使叶片的压力面与吸力面的载荷增大,如果载荷过大,会对叶片的使用寿命产生影响。②动态来流会使风力机近尾迹气流速度分布不均,而且垂直风切变和阵风模型的速度亏损情况比较有规律,从轮毂中心向外分