風電機組葉尖扭轉角對葉尖渦的影響研究

文 | 程明哲，龔玉祥，周曉亮，翁海平

葉片的氣動性能關系到風電機組的載荷與發電量等諸多方面，因此，開展相關的研究就顯得尤為重要。在實際運行過程中，影響葉片氣動性能的因素很多，其中，葉尖渦即是一個關鍵的因素而且受到越來越多的關注。在近尾流區域，因葉尖渦而形成的誘導速度會對自身葉片的氣動性能產生影響；在遠尾流區域，葉尖渦的發展則會對下游風電機組產生氣動干擾。隨著關于葉尖渦研究的不斷開展，有相當一部分研究通過PIV試驗或數值模擬的方法分析了葉尖渦的形成與其渦流特性，并通過相應的控制方法抑制葉尖渦的發展。其中較為典型的為葉尖小翼和鋸齒尾緣。

已有的研究都比較詳細地分析了葉尖渦的成因、構成、發展趨勢和控制方法，但很少有研究表明葉尖扭轉角的影響。本文通對葉尖不同扭轉角進行建模，利用數值模擬的方法分析了葉尖扭轉角對葉尖渦的抑制作用。同時，進一步分析不同扭轉角對葉尖載荷的影響，更加綜合地評估通過改變葉尖扭轉角方法控制葉尖渦的可行性。希望通過本文的研究為葉片扭轉角設計提供理論依據。

葉尖建模與計算方法

本文主要研究2MW風電機組60m長葉片在10m/s來流風況運行時產生的葉尖渦。為減少計算量，本文截取了葉尖距離葉根56～60m的區域進行建模分析。其翼型采用DU93-W-210，模型兩端的弦長分別為1m與0.05m，中間區域則通過四階函數插值得到。距葉根56m處的扭轉角為0°（對應攻角為6°），60m處扭轉角分別為0°、5°和10°（對應的葉尖截面攻角為6°、1°和-4°），56m與60m之間區域的扭轉角為線性過渡。葉尖外形數模如圖1所示。

一、網格劃分

本文采用ANSA前處理軟件對分析模型進行網格劃分。葉片表面使用三角形殼網格，并在前緣與后緣適當加密。在近壁區間的邊界層區域，設置初始邊界層厚度為0.005mm，葉片邊界層數為30層，邊界層厚度比例為1.1，經計算其綱量一高度Y+小于1。同時，對葉片周圍及尾流區域進行適當加密，從而確保近壁區間葉尖渦模擬分析的準確性。邊界層以外的流場區域采用四面體網格。整個計算域的網格總數為560萬。網格模型如圖2所示。

圖1 葉尖扭轉角5°模型

圖2 葉片及流場網格劃分

二、邊界條件與計算方法

本文計算模型的邊界條件如圖3所示。其中紅色區域為速度入口，并結合FLUENT UDF對速度入口的X方向和Y方向進行參數化設置，從而定義葉片旋轉的效果。入口速度如公式1所示。

式中，UX表示速度入口處X方向速度，UY表示速度入口處Y方向速度，ω表示風輪旋轉速度，r表示葉片各截面相對葉根的距離。

圖3中的藍色區域為速度遠場，綠色區域為壓力出口，模擬了風電場無限遠處的流場。整個葉尖壁面設置為無滑移。

本文的數值模擬基于有限體積法，求解的控制方程為雷諾平均N-S法（RANS），其表達式如公式（2）所示。

式中，u1表示流場平均速度，ρ表示流體密度，p表示流場平均壓強，v表示流體粘度，u′表示繞平均速度振動的速度矢量，ui′表示圍繞平均速度在i方向振動的速度。

由于RANS為非閉合方程，需要結合湍流模型進行求解。本文采用由Menter F R提出的SST k-w湍流模型，其結合了邊界層內部的標準k-w模型和邊界層外部的高雷諾數的k-e模型，能夠更精確地模擬葉尖渦所涉及的邊界層湍流與自由剪切湍流。

計算采用壓力穩態求解器，壓力和速度耦合方式采用SIMPLE算法，二階迎風。

數值模擬結果與分析

一、 葉尖渦形成

旋渦有很多表現特征，比如在渦核中心位置，速度與靜壓都很低，因此，可以通過總壓判斷渦核的位置。圖4分別通過總壓與Q-Criterion描述了0°扭轉角葉尖處渦流的形成。

從圖4（a）中總壓等值線可以看出，在葉尖前緣壓力面和端面之間有旋渦產生，并且渦核位于靠近壓力面的葉尖端面上。隨著截面向后緣方向推移，靠近壓力面的渦核開始擴散，并逐漸向吸力面靠近。在葉尖大約1/2的弦長處，靠近葉尖端面的吸力面上形成另一個渦流，其尺寸與渦量均逐漸增大。隨后在葉尖后緣，兩個渦流合并，并脫離后緣。從圖4（b）的渦量等值面中，更直觀地表現出渦流在葉尖處的生成與發展過程。

圖3 計算域模型

圖4 葉尖總壓等值線與渦量等值面

二、葉尖扭轉角對葉尖渦的影響

圖5分別為葉尖扭轉角0°、5°和10°對應的渦量等值線圖。

從圖5（a）中可以明顯觀測到靠近葉尖處尾流的渦核，并且其渦量值最大，在x＝1m（距離葉片旋轉軸1m）處的渦核具有420s－1的渦量值，隨著x的增加，渦核尺寸開始增加，而渦量逐漸減少。同樣在圖5（b）中，也能夠觀測到渦流相同的發展趨勢，但在x＝1m處的最大渦量僅為150s－1。當葉尖扭轉角增大到10°時，如圖5（c）所示，渦核已經消失。可見，扭轉角的增加對葉尖渦的減弱起到非常明顯的效果。

圖5 各扭轉角下測得的渦量等值線圖

三、葉尖扭轉角對葉片載荷的影響

圖6 葉尖升力系數與載荷隨扭轉角的變化趨勢

增大扭轉角不僅能對葉尖渦的強度起到一定的抑制作用，相應會使得葉尖載荷也有很大程度的減小。從圖6可以看出，當扭轉角從0°增大到10°，葉片升力系數Cl值由0.83減小為0.47。與此同時，葉片揮舞和擺陣方向的合力也由0°扭轉角的6465N減小為10°扭轉角的3665N，減少2800N。對于一個60m長的葉片來說，葉根載荷可減少約170kNm。可見，在葉片逐漸加長的背景下，通過改變葉尖扭轉角不僅能夠有效減弱葉尖渦的強度，對葉片降載也起到一定的作用。

結論

本文以2MW風電機組60m葉片距離葉根56～60m的葉尖區域為研究對象，借助CFD分析軟件進行數值模擬，分析了不同葉尖扭轉角對葉尖渦和葉尖載荷的影響，分析結果總結如下：

（1）在葉尖扭轉角為0°時，葉尖前緣壓力面和端面之間有旋渦產生，在大約1/2的弦長處、靠近端面的吸力面上形成渦核，其尺寸與渦量均逐漸增加。隨后在葉尖后緣，兩個渦核合并并脫離后緣。

（2）葉尖渦在剛脫離后緣時,具有較大的渦量值，隨著向背風面推移，渦核尺寸開始增加，而渦量逐漸減少。

（3）葉尖渦渦量對葉尖扭轉角比較敏感。當葉尖扭轉角逐漸增大時，葉尖渦的渦量逐漸減少。當扭轉角增至10°時（此時葉尖攻角為-4°），已無法測得明顯的渦核。

（4）葉片升力系數Cl和葉片載荷F均隨著扭轉角的增加而降低，可見扭轉角不僅能夠抑制葉尖渦的強度，同時有效減小了葉尖載荷。