風(fēng)電葉片除冰改造表面走線對(duì)氣動(dòng)性能影響研究

陳威 楊建軍 肖智龍 朱加凱

摘 要：為了研究風(fēng)電葉片后期加熱除冰改造過(guò)程中從葉片表面走線對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響，該文基于NACA4412翼型，使用二維計(jì)算仿真的方式模擬了在翼型表面不同位置走線方式對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響。先用Profili導(dǎo)出的翼型幾何數(shù)據(jù)和升阻扭力系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再使用ANSYS-FLUENT進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與Profili結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所建翼型計(jì)算模型；修改幾何數(shù)據(jù)，建立凸點(diǎn)，使用建立的仿真模型對(duì)含凸點(diǎn)的翼型進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：風(fēng)電葉片后期加熱除冰改造從吸力側(cè)近后緣走線對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響最小，從前緣走線影響最大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電 葉片 除冰 翼型 仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（c）-0089-04

Abstract： For study aerodynamic of wind power blade which has power line on its surface to dicing by electric heating， Based on airfoil of NACA4412， effect of lying power line on surface of blade was simulated. Profili was used to export geometry、lift coefficient、drag coefficient and pitch coefficient， ICEM was used to compute grid， ANSYS-FLUENT was used to simulate. The result of simulation was used to compare with Profili data to verify the module. The verified module was used to simulate the convex which cause by power line. The results show that lying power line of heating deicing on suction side has least influence on aerodynamic of airfoil， and lying on lead has greatest influence.

Key Words： Wing turbine； Blade； Deicing； Airfoil； Simulation

隨著化石能源日益枯竭及其帶來(lái)的污染，人們?cè)絹?lái)越重視環(huán)保型的可再生能源，而風(fēng)力發(fā)電因其單位功率合理，絕對(duì)的零污染等優(yōu)點(diǎn)正成為新能源演進(jìn)的重要趨勢(shì)[1]。目前三葉片垂直風(fēng)機(jī)是風(fēng)電行業(yè)主流，葉片在低溫、高濕環(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)，其表面易結(jié)冰[2]，從而造成葉片氣動(dòng)外形、載荷的改變，進(jìn)而降低機(jī)組發(fā)電量及運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性[3，4]。

由于風(fēng)電行業(yè)前幾年的爆炸式邁進(jìn)，前期各整機(jī)廠及葉片廠對(duì)葉片結(jié)冰沒(méi)有足夠重視，沒(méi)有在前期設(shè)計(jì)中將抗結(jié)冰、除冰納入考慮。目前主流的抗結(jié)冰、除冰方式有貼膜、葉片內(nèi)部空氣加熱、葉片表面貼加熱膜[5]及更該機(jī)組控制策略；從目前實(shí)踐中，葉片表面加熱除冰是最高效及安全的。

主要研究目前主流的葉片表面加熱除冰后期改造中，加熱電源及傳感器線從葉片表面走線對(duì)葉片氣動(dòng)性能帶來(lái)的影響；基于BEM理論[6]，只需考慮單個(gè)翼型的氣動(dòng)性能影響即可直接判斷不同走線位置對(duì)葉片整體氣動(dòng)性能影響，即單獨(dú)研究翼型升力系數(shù)（Cl）、阻力系數(shù)（Cd）及扭力系數(shù)（Cm）。

1 模型建立

選取了NACA4412翼型為研究對(duì)象，使用Profili軟件[7]導(dǎo)出翼型幾何數(shù)據(jù)和其Cl、Cd及Cm；使用ANSYS-ICEM對(duì)幾何模型進(jìn)行C型網(wǎng)格劃分，將翼型整體放置于遠(yuǎn)揚(yáng)壓力場(chǎng)（Pressure-far-field）中，翼型設(shè)置為wall。

所使用的湍流模型為S-A（Spalar-Allmaras）[8]，該模型是設(shè)計(jì)用于航空領(lǐng)域的，主要是墻壁束縛流動(dòng)，而且已經(jīng)顯示出很好的效果。在熱工機(jī)械中的應(yīng)用也愈加廣泛。S-A模型的偏微方程如下。

式中，Gν是湍流粘度生成的，Yν是被湍流粘度消去，發(fā)生在近壁區(qū)域。Sρ是用戶定義的。氣體density設(shè)置為ideal-gas，Visconsity設(shè)置為power-law。

2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建模型的正確性，首先模擬了-8°～13°，步進(jìn)0.5°（附著區(qū)[9]）攻角情況下翼型的Cl、Cp及Cm，雷諾數(shù)Re=2.3E+6，馬赫數(shù)Ma=0.1；將模擬結(jié)果與Profili進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖1所示。

由數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，所建立的二維翼型氣動(dòng)仿真模型在Cl、Cd及Cm計(jì)算結(jié)果上與Profili導(dǎo)出結(jié)果基本吻合，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差均不超過(guò)0.2，該模型可用于翼型氣動(dòng)仿真。

3 后緣走線翼型仿真

葉片走線，其高寬比為0.15，位于PS靠近后緣位置；另外還有從SS面靠近后緣走線及前緣中心走線方案。

物理模型基于NACA4412翼型，15.02%相對(duì)厚度，將PS/SS面走線在翼型表面定為距前緣距離相對(duì)弦長(zhǎng)95%，前緣走線位于前緣中心，高度相弦長(zhǎng)為0.2%，從最高點(diǎn)平滑過(guò)渡至翼型表面，高寬比為0.15。

4 結(jié)果與討論

4.1 前緣走線影響

圖2、圖3、圖4分別對(duì)比了在前緣位置有無(wú)走線時(shí)其對(duì)Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，前緣走線方式會(huì)對(duì)翼型氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，但其影響幅值較小。

4.2 PS面近后緣走線影響

圖5、圖6、圖7分別對(duì)比了在PS面近后緣位置有無(wú)走線時(shí)其對(duì)Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，PS面近后緣走線方式會(huì)對(duì)翼型氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，但其影響幅值較小。

4.3 SS面近后緣走線影響

圖8、圖9、圖10分別對(duì)比了在SS面近后緣位置有無(wú)走線時(shí)其對(duì)Cl、Cd及Cm的變化，從這3幅圖中可以看出，SS面近后緣走線方式會(huì)對(duì)翼型氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，但其影響幅值亦較小。

4.4 討論

表1描述了從前緣、PS面及SS面三處走線方式產(chǎn)生的氣動(dòng)性能差值的累計(jì)值（-8°～13°，步進(jìn)0.5°），從表中可以看出就升力系數(shù)而言，在SS側(cè)走線對(duì)氣動(dòng)影響最小，這是因?yàn)樯ο禂?shù)主要來(lái)源于上下表面壓力差，在附著流區(qū)PS面壓力大于SS面壓力，走線設(shè)置于前緣時(shí)當(dāng)攻角增大其走線位置逐漸向下壓面移動(dòng)，從而造成下壓面壓力相對(duì)降低從而導(dǎo)致上下面壓力差降低，即升力系數(shù)降低，如圖8所示；走線位置設(shè)置于PS面時(shí)，PS面壓力始終略低于低于無(wú)走線情況，而走線設(shè)置于SS面時(shí)，由于未對(duì)壓力側(cè)氣壓產(chǎn)生影響故而對(duì)升力系數(shù)影響較小。

從阻力系數(shù)方面考慮，亦是在SS側(cè)走線對(duì)氣動(dòng)影響最?。磺?種走線方式累計(jì)值均很小，這是因?yàn)樵诟街鲄^(qū)，翼型阻力主要為摩擦阻力。

而從俯仰力矩系數(shù)考慮，PS面走線方式對(duì)氣動(dòng)影響最小。

5 結(jié)論

針對(duì)目前在役葉片后期除冰改造表面3種走線方式對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了研究，基于葉素理論[6]使用NACA4412二維翼型模擬了3種不同走線在葉片表面引起的外形改變后的氣動(dòng)變化，從而得出三種走線方式對(duì)葉片氣動(dòng)效率的影響，得出以下結(jié)論。

（1）就葉片發(fā)電效率而言，從SS側(cè)近后緣位置走線對(duì)葉片影響最小。

（2）對(duì)于葉片俯仰力矩來(lái)說(shuō)，從PS面近后緣位置走線最佳。

（3）綜合考慮葉片各項(xiàng)氣動(dòng)參數(shù)，不建議從葉片前緣走線。

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