小型風電機組風輪流線分析研究

文|楊柳，汪建文，馬劍龍，魏海姣，張彥奇，李佩林

風電機組運行于開放的隨機變化的自然大氣環境中，葉片是風電機組中受力最復雜的部件，其在不停地做旋轉運動，各種激振力幾乎都是通過葉片方向傳遞出去的。尤其是對于展向長、弦向短的細長體，柔性好的風電機組進行的穩態數值分析誤差很大，同時由于流體流過風電機組葉片時會產生復雜的非定常性運動，實驗在測量技術上很難達到，故可以利用ANSYS 有限元分析軟件數值模擬使其流場非定常性運動得以實現。

在國外，日本東京大學Chuichi Arakawa 等對風電機組進行了非穩態模擬計算，通過改變葉尖形狀從而降低噪聲。2010 年澳大利亞紐卡索大學M.J.Clifton-Smith 針對小型風電機組進行非穩態數值模擬通過改變不同翼型截面的弦長和扭角提出了一種新的數值優化方法。美國可再生能源實驗室的Y.Bazilevs 等人對大型海上風電機組進行了詳細非穩態數值模擬分析。

在國內南京航空航天大學陳龍等利用DES 方法進行超音速空腔非定常數值模擬同時也證明該方法的可行性，為今后更深入地研究飛行器上的各種腔體氣動特性打下了基礎。2009 年，新吉勒圖在旋轉區域網格處理上采用滑移網格模型，對水平軸風電機組尾流流場進行非定常特性的模擬計算。上海電力學院胡丹梅等人利用ANSYS 的FULENT 計算軟件進行了雙向流固耦合。國內外進行流場氣動性能分析的很多，大多是利用模擬軟件FLUENT 來進行，而本文主要采用本人所在課題組自己所建立的小型風電機組，然后利用ANSYS 中的CFX 模塊進行非穩態流場模擬計算。

模型的建立

本文將葉片的每一個葉素面的三維坐標以文本文件（.txt）形式，利用Solidworks 零件圖中的“通過xyz 曲線”命令，得到翼型面輪廓線的樣條曲線，然后依次讀取各翼型面的翼型坐標，利用“平面區域”命令將各葉素輪廓線填充為平面，將輪廓線轉換為實體引用，根據翼型扭角進行坐標變換，得到風電機組葉片翼型；其次，基于放樣理論，利用“放樣”命令，將各截面逐一放樣成實體圖，并結合葉根數據生成葉片實體，最后利用陣列功能得到具體的模型如圖1 所示。

計算域的建立與設置

利用流場計算軟件CFX 進行非穩態流場模擬，由于風電機組表面是無滑移、無滲透、不可壓縮風場是有旋流場運動，加之FSI 面速度壓力分布均相等，故將計算域分為兩個域：靜止域與旋轉域，靜止域的主要作用是用于進出口風速和風壓的設置，其網格類型為普通的滑移網格；由于風電機組旋轉過程中旋轉域的網格會發生變形，故旋轉域的網格類型設定為變形網格，用于與風電機組葉片與外界環境的互相傳遞，如圖2 所示。

圖1 風輪模型

圖2 計算域

對于ANSYS 的CFX 中非穩態的設置主要包括出口壓力的設置、入口風速設置、靜止域和旋轉域設置、交界面設置。靜止域的進口風速設置為：8m/s，出口相對壓力為：0Pa ；旋轉域的旋轉速度為：57.14rad/s，同時FSI 面必須在旋轉域中設置，并且FSI 面為風電機組的所有葉片表面。計算域設置如圖2 所示。

結果分析與處理

一、風輪流線分布

經過非穩態算法計算模擬可得風輪流線分布情況如下。從圖3 可以看到在風電機組葉尖處流線密度最大，因此可得葉尖周圍的流體流動速度最大，反之可知，風電機組葉尖處的運動速度最大，從圖4 可以觀察到有明顯流線內卷的現象，可能由于在風電機組葉片根部的流動現象比較復雜，同時出現分流的現象，這種流線內卷現象會造成風能損失。

二、風輪葉片三截面速度、流線云圖分析

為了比較分析距離風輪不同截面的速度、流線的分布，在風電機組同一葉片下、相同攻角處，分別選取葉片展向方向上距離風輪中心三個截面分別是30%R、60%R、90%R，如圖5 和圖6 所示分別為三截面處速度、流線分布云圖。

圖5 可以觀察到在三個截面中隨著沿葉展方向距離風輪中心30%R、60%R、90%R 的變化前緣處速度越來越大。

圖3 風輪側面流線圖

圖4 風輪垂直迎風面流線圖

圖5 截面速度分布云圖

圖6 截面流線分布云圖

結論

利用非穩態算法針對直徑為1.4m 的小型水平軸風電機組進行風輪尾跡流場分析（速度、流線）。以來流風速為8m/s，風輪轉速為57.14rad/s 為例，分析風輪速度、流線變化規律：

（1）三個截面中隨著葉展方向距離風輪中心30%R、60%R、90%R 截面變化翼型前緣處速度越來越大。

（2）通過風輪流線分布圖可知風輪葉尖處的流線密度最大，并且風輪流線有明顯內卷的現象，造成能量損失。

（3）從距離風輪中心30%R 截面中可以看到翼型尾部出現了明顯的失速渦，因此可得風輪主要做功截面分布于葉片中部以及葉梢，根部會造成大量的風量損失。

（4）隨著距離風輪中心30%R、60%R、90%R 三個截面的變化，尾緣的分離現象越來越弱，并且該流線逐漸趨于緊密。