風力發電機葉片數值模擬綜述

劉 丹 李軍向 薛忠民 陳 淳

（中材科技風電葉片股份有限公司，北京 102101）

1 引言

大自然提供的風具有地域分散、能量密度低、不穩定的特點，風力機（圖 1）在野外惡劣環境下連續運行，對其安全性、可靠性提出了極高要求。風力發電機葉片是整個風機中最為關鍵的部分，約占整機成本的20%～30%左右（見圖2），其性能優越與否關系到發電機的成本、壽命以及發電功率的捕獲。此外，風力機的葉片作為獲取風能的關鍵部件，它的氣動性能和結構性能直接決定風力機的工作效率和運行壽命。風力發電所涉及的空氣動力學問題，主要就是風力機葉片的空氣動力學問題，包括風力機葉片的氣動設計和氣動性能計算。其中氣動性能計算是非常關鍵的工作，它為氣動設計結果提供評價和反饋，并為葉片的結構設計提供氣動載荷等原始數據。氣動性能計算的準確性，直接影響葉片的氣動性能和結構安全，從而影響風力機的運行效率和運行安全。

隨著風力機向大型化的發展，葉片整體的氣動性能和結構性能研究也變得更為重要。傳統的氣動性能模擬方法很難對三維非穩態旋轉流動進行準確預估，且風洞實驗也面臨尺寸、及雷諾數效應模擬上的困難，所以應用先進的數值方法對三維葉輪的流動進行模擬，準確地模擬出不同工況下流場中的各種細節，獲得更多的流動特性，對流動機理的分析及風力機的研發工作等有很大的實際意義。

因此，基于以上所述，本文將主要從CFD數值模擬在風電葉片設計中的應用現狀、遇到的困難及今后的發展前景等方面進行探討。

圖1 水平軸風力發電機

圖2 2MW風力機各部件所占成本近似比例

2 目前主要的研究方法

目前風電葉片的研究方法主要有四種，分別是葉素動量理論、風洞實驗、外場實驗及CFD數值模擬，現分別將這四種方法簡單介紹如下。

2.1 葉素動量理論

葉素動量理論通過合理假設，抓住主要流動規律，結合理論分析和試驗數據得到風力機葉片的氣動特性。基于葉素動量理論的工程軟件簡單，計算工作量小，容易融合于氣彈、結構動態響應的計算中。在實際應用中，該方法通常低估了實際風輪的動力產生。為了使這種方法更加準確，發展了各種模型來修正葉素動量理論，包括葉尖損失修正模型、輪轂損失修正模型和偏航尾跡修正模型等。目前許多用于風力機氣動性能的計算軟件大多是基于葉素動量理論而開發的，例如已經得到廣泛應用的英國GH公司的Bladed軟件。然而這些修正模型本身多基于小型葉片的試驗數據，隨著風力機單機容量的增大，這些已經開發出來的軟件預測風力機性能的準確性隨之降低。

2.2 風洞實驗

風洞實驗作為研究風力機葉片氣動性能的另一種有效方法，能綜合考慮影響流動的各種因素，是理論與數值分析結果正確與否的可靠檢驗手段。盡管實驗測試可為風力機的設計及分析提供比較可靠的數據，但實驗過程周期較長，成本高且投資很大，而且由于測量技術設備的限制，對復雜結構流動的細微部位測量困難重重。風洞實驗通常無法完全滿足相似條件，由于縮尺效應(雷諾數效應)使得有效粘性增大，葉片表面上的分離區減小，從而在該區域的平均風壓結果出現較大誤差 ，這種雷諾數效應是風洞實驗難以克服的，在風洞實驗中往往也存在很難消除的干擾，例如尾流與洞壁干擾的修正就特別困難，此外一些極端的工作條件也是風洞實驗無法滿足的。

圖3 風洞實驗圖

圖4 外場實驗

2.3 外場實驗

顧名思義就是直接在實際的風場中對運行的風力機直接測量，在風力機的表面用傳感器測量風荷載和結構響應等，為葉片設計的評判提供基礎。自從20世紀80年代，已經有部分研究機構開始對風力機的氣動性能進行外場實驗。如美國國家可再生能源實驗室（NREL）從1987年開始對直徑為10m，額定功率為20kW的某風力機進行了一系列的風場實驗（圖4），但是由于自然風速的變化劇烈，確定對應于特定空氣動力響應的進口條件非常困難，不僅要求數據采集系統必須具有足夠的動態響應能力，而且使得采集的數據也很難分析和按照產生原因分解成各自獨立的部分，因此，用這種方法進行規律性的研究顯然是很困難的。

2.4 CFD數值模擬

近年來，隨著計算流體力學和計算機硬件的發展，數值模擬己逐漸成為認識流動規律的重要研究手段，為認識風力機的流動性能提供了新的途徑。CFD數值模擬技術可以在寬廣的流動范圍內給出流場流動的定量計算結果，既便于分析各種流動參數對流動規律的影響，又能快速地對設計方案進行評估，還可以指導后續的實驗驗證，避免設計過程盲目重復，從而能夠提高風力機的整體設計水平，大幅度縮短研制周期、降低研制成本，可以代替大量的實驗，成為風力機設計與分析的強大而有效的工具。目前風力機葉片流動的數值研究已不再局限于流場分析、性能預測的正命題研究，風力機的CFD數值模擬己成為當前國際上最活躍的研究領域之一。

3 目前CFD在風力機葉片設計研究中的應用

CFD是在計算機上實現一個特定的計算，就好像是在計算機上做一次全尺寸的風洞實驗。例如，風電葉片的繞流，通過計算并將其結果在屏幕上顯示，就可以看到流場的各種細節：如風的運動、風速的大小，渦的生成與傳播，流動的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時間的變化等。即數值模擬可以形象的再現流動情景并得到所有想要的結果。

CFD數值模擬有其他方法無可比擬的優勢，已經在很多實際工程領域得到廣泛的應用，例如航空航天、汽車、建筑、橋梁、生物醫學、化工、環境、水利、海洋、油氣工程、發電、體育等，可以說，有流動就有CFD。同樣的，在風力機的設計領域，也早開展了對CFD數值模擬的研究，目前的應用主要集中在風電葉片翼型氣動特性數值模擬、風力機葉片氣動性能模擬及氣動彈性計算等方面。

3.1 翼型的氣動特性計算

圖5 RISOE-A1-27的CFD計算升阻力系數

翼型氣動特性是葉片設計的基礎，在設計過程中，為減少工作量和成本，在翼型初樣和詳細設計階段，采用理論分析和CFD計算來獲得翼型氣動特性，例如在RISΦE翼型設計中的應用，以數值模擬為基礎，發展了二維翼型計算軟件 EllipSys2d；結合優化方法發展了 RISΦE系列翼型（A1、B1）等（見圖5、圖6），并且研究了粗糙度影響。

3.2 葉片氣動性能模擬

葉片流場分析是一個規模很大的計算問題。通過CFD手段對葉片進行三維流場計算，對數值模擬計算結果進行后處理，除了可以得到功率、功率系數、推力系數（圖 8）等氣動性能外，還可以得到例如渦量等值面、表壓云圖（圖 7）及截面流線等BEM理論無法得到的，此外還可以分析葉尖形狀影響、對葉尖聲學進行計算及葉根設計等等，并最終能為葉片結構設計提供有幫助的參考。

圖7 表壓云圖

圖8 推力系數

3.3 葉片氣動彈性計算

葉片氣動彈性的不穩定，實際上是由于葉片的彈性力與氣動力、慣性力相互耦合，導致擾動相互加強，一直到使葉片破壞，或達到一個“極限顫振”（速度較低時，葉片的任何振動，都會因阻尼而衰減。但當速度超過臨界速度時，微小的擾動就會引起振動發散，振幅急劇增大，造成結構的損壞，這種現象就叫顫振）的狀態。

通過 CFD數值模擬軟件與結構分析軟件相配合，進行流固耦合計算，使固體結構中的變形和應力，與流體流動耦合計算，例如最新的 ANSYS12版本，集合了流體計算軟件 CFX與結構分析軟件ANSYS，通過CFX軟件得到葉片表面的風壓數據，將這些風壓數據作為葉片結構表面的載荷導入ANSYS中進行結構分析，得到結構響應后，將變形后的葉片結構導入CFX軟件中進行新的計算，如此反復迭代，可以計算出結構的響應是否穩定，從而得出氣彈分析的結果。

4 CFD數值模擬的過程及相應軟件的使用經驗

CFD數值模擬的整個結構大體上可以分為提出問題、分析問題和解決問題這3個部分，CFD數值模擬的實現過程主要由以下幾個環節組成。

4.1 建模

建模可以理解為從物理空間到計算空間的映射，二維軟件建模和三維軟件建模分別對應于翼型的計算分析以及風力機模擬和氣彈分析，二維軟件建模推薦使用AutoCAD，其優點在于精度高，草圖處理靈活，在國內應用非常普遍；三維軟件建模推薦使用CATIA和Rhinoceros軟件，CATIA軟件實體建模和曲面建模功能很強大，同時也有支持ICEM-CFD的插件ICEM-CFD CAA V5，Rhinoceros是一套超強的自由造型三維建模軟件，又叫犀牛，其4.0版本安裝完大小不到200M，硬件要求也很低。此外它包含了所有的 NURBS建模功能，用它建模感覺非常流暢，可以導出高精度模型給其他軟件使用，可以說犀牛軟件是三維建模高手必須掌握的、具有特殊實用價值的高級建模軟件。

4.2 網格劃分

網格劃分就是對連續空間進行離散化，網格劃分在整個CFD計算過程中占據大量的時間，可以說將近一半的精力要放在網格劃分上，網格劃分的優劣直接影響數值模擬計算的收斂性和準確性，非常重要。網格應當精細到足夠捕捉諸如剪切層、渦等物理現象的特征變化，由于葉片體型復雜，流場的流域也較大，滿足葉片形狀的結構化網格很難劃分，并且會在不需要加密的地方占用大量的網格資源，故推薦使用非結構化網格，棱柱體網格與四面體網格一起使用，如果想預測葉片表面的壓力，則至少要布置5層棱柱體網格在壁面處。網格劃分軟件在這里主要介紹兩種，一種是 Gambit，專門生成供Fluent軟件計算的網格，軟件好學、好用，功能強大。但是占用內存比較多，有時容易死機，另一種是 ICEM－CFD，最強大的網格劃分軟件，其接口非常多，幾乎支持所有流行的CFD軟件。ICEMCFD直接立足于拓撲結構到幾何模型映射，不是直接對幾何體分塊，而是對拓撲分塊。拓撲結構的分塊比直接對幾何體分塊容易得多，因為拓撲結構的形態很簡單，都是多邊形和六面體組合。

4.3 數值模擬計算

這里主要包括邊界條件的設置，湍流模型的選擇，給定求解控制參數和求解離散方程。下面筆者將根據近幾年的實踐和體會，參考一些資料，從數值風洞大小的選取、對流項插值階數、湍流物理模型、數值模擬計算結果的判斷等幾個主要方面提出一些建議。

數值風洞的大小與計算精度密切相關，太小會對風力機表面風壓產生影響，太大又會增加網格數量，設h為風力機輪轂處的高度，建議入口距風力機迎風面4～5h的距離，風力機的側面和頂面距各自流域邊界的距離應大于4h，此時，最大阻塞率小于3%。

入口處邊界條件需要指定平均風剖面和湍流強度剖面；數值風洞的頂壁與側壁的邊界設置為滑移壁面；出口處選擇充分發展流動，所有變量的梯度均為零；風力機表面和地面設置無滑移壁面，速度u=0。

目前的商業CFD軟件均使用有限體積法，對流項的插值格式非常重要，一階迎風格式通常包含較大的數值離散，做定量分析時要避免使用，目前推薦采用的二階迎風插值格式，其數值耗散明顯低于一階迎風格式，具有較高的精度，但通過本人的數值模擬實踐，對強烈變化的流場，二階格式常常會產生數值振蕩，因此，推薦采用接近二階的混合格式，例如1.75階，其收斂性優于二階格式，計算結果精度也很高。

湍流物理模型的選取很困難，如果湍流模型選擇不準確將對計算結果的精度影響最大，是CFD數值模擬計算中計算結果不確定性的主要因素。目前應用的湍流模型有3種：一方程S-A模型、二方程k-episilon模型和二方程k-omega模型三大類型，在風力機數值模擬中推薦使用一方程S-A模型和二方程 SST（剪應力輸運）k-ω模型，參考一些關于湍流模型的使用資料和自身的實踐可知，S-A模型是一種相對簡單的通過求解輸運方程得到湍流運動粘度的單方程湍流模型，是專為航空航天領域中，研究壁面邊界流動而設計的，在S-A模型中，湍流粘性系數與表征湍流流動特性的脈動動能聯系起來，主要著力于恰當求解邊界層受粘性影響的區域。應用S-A模型對于附著流和小分離流動的計算結果較為精確；對于SST k-ω模型，普遍認為其是模擬繞鈍體流比較好的模型，對于動態失速的翼型繞流，k-ω SST湍流模式是較為有效的，計算出的氣動力系數曲線變化趨勢與實驗結果符合得比較好。此外該模型在各個領域應用都很多。但這些湍流模型中的部分參數是通過尺度較小的模型試驗數據得到的，其模擬結果與大尺度鈍體結構實測數據仍有較大誤差，有待于進一步的改進。

對于計算結果的判定，在一般情況下，殘差下降4個量級即可認為結果收斂，與此同時監測感興趣的位置，記錄當地的流動變量，如果這些變量趨于常數，那么這個區域的解可認為已經收斂。

數值模擬計算商業軟件主要有Numeca、Fluent和CFX等，Numeca除具有一般CFD軟件的通用功能外，還非常適合于透平機械內流動過程的數值計算，該軟件主要針對于渦輪機械的，但它市場做的不好，國內的用戶很少；Fluent軟件國內用的人最多，Fluent軟件中的動/變形網格技術主要解決邊界運動的問題，用戶只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成，其局部網格重生式是Fluent所獨有的，而且用途廣泛，可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道而完全由流動所產生的力所決定的問題，這也使得該軟件在對風力機的數值模擬方面非常方便；與大多數CFD軟件不同的是，CFX軟件除了可以使用有限體積法之外，還采用了基于有限元的有限體積法，它保證了在有限體積法守恒特性的基礎上，吸收了有限元法的數值精確性。在CFX中，基于有限元的有限體積法，對六面體網格單元采用24點插值，對于四面體單元采用60點插值，可以非常有效的提高數值模擬的計算精度，對同一問題，只要增加四面體網格單元的數目，其計算精度與六面體相差不大，而Fluent軟件四面體網格插值點僅為4個，六面體網格為6個，其六面體的求解性能明顯好于四面體網格，因此用Fluent軟件進行風力機數值模擬時，最好使用六面體網格，這使得網格劃分工作的任務大大增加，而CFX軟件則沒有這方面的限制。

4.4 后處理

后處理的目的是有效地觀察和分析流動計算結果，隨著計算機圖形性能的提高，目前的絕大多數CFD軟件均配備了后處理器，提供了較為完善的后處理功能，包括計算域的幾何模型及網格顯示、矢量圖、等值線圖、云圖等等，借助后處理功能，還可動態模擬流動的效果，直觀地了解CFD的計算結果。此外，除了CFD軟件自帶的后處理模塊外，還可以選擇專業的軟件，其中Tecplot軟件在后處理方面非常強大，軟件短小精悍，并且可以自己編程對數據進行數據，非常好用。

5 CFD風力機模擬的發展方向

CFD作為一個新的流體力學研究工具，正在得到迅速發展，也展示了其廣闊的應用前景；CFD軟件相對于其他領域的計算機軟件更復雜，更依賴于用戶經驗和專業水平，今后的風力機氣動特性計算的研究重點是基于NS方程的CFD數值方法來減少經驗性，增強魯棒性。現有的湍流模型在風力機氣動計算中效果不是很理想，最終的解決辦法是發展針對于復雜旋轉流場的湍流模型，借鑒于在低矮房屋中成功的湍流模型改進經驗，以標準S-A湍流一方程物理模型為基礎，改進湍流生成項和壁面修正項，并針對撞擊、分離、再附和環流這幾種流動特性設置不同參數以修正渦粘分布，基于風力發電機實測或風洞實驗數據調整部分參數，從而達到提高針對于復雜旋轉流場數值模擬計算精度的目的。

隨著計算機技術的提高和數值技術、網格生成、湍流模型等各個方面的不斷完善，CFD方法在未來必定表現出其固有的巨大優越性，也必將成為風力機性能研究的主要方法。

[1]袁新,徐利軍等.水平軸風力機翼型大攻角分離流動的數值模擬[J].太陽能學報.1997,18(1).

[2]劉勇.風力發電機氣動性能數值模擬[D].哈爾濱工業大學碩士學位論文,2007.7.

[3]李新梅,孫文磊.淺析風力發電機葉片關鍵技術[J].機械制造,2009(1).

[4]張玉良,李仁年,楊從新.水平軸風力機的設計與流場特性數值模擬[J].蘭州理工大學學報,2007,33(2).

[5]賀德馨.風工程與工業空氣動力學[M].北京:國防工業出版社,2006.

[6]鄧興勇,陳云程,葉凡.風力發電機葉輪的數值優化設計法[J].工程熱物理學報,1999,20(1).

[7]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.