安裝渦流發生器的風電機組氣動性能的仿真分析

易禮毅，凡 盛，胡杰樺，梁鵬程，馮學斌，詹佳普

(株洲時代新材料科技股份有限公司，株洲 412007)

0 引言

風電機組的運行環境復雜，其發電性能受到各種各樣的自然因素影響，基于穩態均勻流場的動量-葉素理論在風電機組葉片設計中發揮了重要作用。在風電機組單機大兆瓦、大風輪直徑的條件下，采用基于動量-葉素理論開發的軟件(例如風電機組設計分析的行業標準軟件包GH-Bladed)計算風電機組氣動性能時得到的計算結果還需要進行大量的驗證工作[1]，因此，以計算流體力學(CFD)作為輔助的氣動性能驗證工具被廣泛應用于風電機組葉片設計中。

傳統風電機組葉片的設計使用薄翼型相對較多，隨著風電機組葉片長度和單機容量的增加，風電機組荷載變大，對葉片設計的強度性能、剛度性能和重量提出了更高要求。在碳達峰、碳中和目標的驅動下，風電機組葉片的設計也面臨著降本的要求，需要采用輕量化設計方案。因此，為了同時滿足大功率和輕量化的條件，針對風電機組葉片的設計，目前行業中已大量使用大厚度翼型來改善葉片的結構強度。但是大厚度翼型的失速性能比較差，且該翼型在葉根區域的攻角變化范圍大，因此改善葉根區域大厚度翼型的失速性能可以改善風電機組的發電性能。安裝渦流發生器(vortex generator，VG)是有效控制流動分離的方法，因此開展安裝渦流發生器的風電機組氣動性能的研究具有重要意義。

渦流發生器最初廣泛應用于航空領域，隨著其技術發展成熟，在風電機組葉片領域得到了推廣應用。在風電機組葉片表面安裝渦流發生器，可以認為是在葉片的氣動面上增加了小翼，由于其展弦比小，因此能夠產生比較強的翼尖渦。在葉片表面渦流發生器和葉片后緣之間的區域，高能量的翼尖渦可將能量傳遞給邊界層，使該區域處于逆壓梯度中的邊界層氣流獲得附加能量后能夠繼續貼附在葉片表面，不發生分離，從而可提高風電機組的氣動性能，最終可增加風電機組的發電效率[2-4]。Miller等[5]在安裝有渦流發生器的風電機組葉片上開展了大量現場測試，通過測試證實了渦流發生器可以提高風電機組的氣動效率。國內也開展了大量的研究工作，將渦流發生器應用于實際風電場，驗證渦流發生器在風電機組葉片上的應用效果[6]。渦流發生器的幾何參數，以及其在葉片表面的弦向和展向的安裝位置，能夠顯著影響風電機組的氣動性能。何政洋[7]采用數值模擬的方法研究了渦流發生器參數對風電機組氣動性能的影響；薛丁云[8]分析了渦流發生器的弦向安裝位置、高度、間距等參數，以及雙列渦流發生器對風電機組氣動性能的影響，同時也開展了風洞測試，提出了對渦流發生器工程應用的建議。

本文采用CFD仿真分析方法，使用流體仿真軟件Star CCM+建立某型號風電機組的仿真分析模型，將CFD仿真結果與通用風電機組仿真軟件GH-Bladed的計算結果進行了對比分析，以驗證CFD仿真分析方法的準確性；然后對該風電機組葉片安裝渦流發生器前、后的氣動性能進行了仿真分析，并對葉片變槳前典型工況下安裝和未安裝渦流發生器的風輪軸功率進行了對比。

1 風電機組模型說明

本文研究的某型號風電機組的風輪直徑約為150 m，塔筒高度約為100 m，其三維模型示意圖如圖1所示。計算和仿真分析模型的外部條件統一設置為：空氣密度為1.225 kg/m3，空氣粘度為1.82×10-5kg/(m·s)。

圖1 某型號風電機組的三維模型示意圖Fig. 1 Diagram of three dimensional model of a wind turbine

2 建立仿真分析模型

2.1 仿真分析的典型工況

通過采用風電機組設計分析的行業標準軟件包GH-Bladed，可以計算得到該型號風電機組在葉片變槳前，風速與風輪轉速的對應關系，具體如表1所示。選取表1中的風速和風輪轉速作為本文CFD仿真分析的典型工況。

表1 在葉片變槳前風速與風輪轉速的對應關系Table 1 Corresponding relationship between wind speed and wind wheel speed before blade pitch

2.2 湍流模型的選擇

本研究針對風電機組同一運行條件進行CFD仿真分析，分別選用湍流模型k-w和k-e進行計算。采用不同湍流模型時風輪轉矩的計算結果對比如圖2所示。

從圖2可以看出：分別采用k-w湍流模型和k-e湍流模型得到的收斂曲線基本一致，二者得到的風輪轉矩的計算結果偏差較小，相對誤差為0.04%。本文仿真模型選用k-e湍流模型。

圖2 采用不同湍流模型時風輪轉矩的計算結果對比Fig. 2 Comparison of calculation results of wind wheel torque with different turbulence models

2.3 網格劃分

風電機組葉片和機艙罩、塔筒、地面之間有相對旋轉運動，采用瞬態滑移網格方法，將整個流場分為葉片旋轉區域和周圍靜止區域，二者之間通過交界面進行數據傳遞。考慮風電機組各部件的尺寸特點和流場中速度、壓力梯度的變化，在葉片尺寸較小的尾緣和彎曲的前緣，都需要較小尺寸的網格來保持葉片的幾何特征；在葉片附近的流場空間也需要較小的網格尺寸，來準確捕捉氣流的變化，以及流動狀態對葉片表面壓力的影響。采用多層加密的方式來提高網格質量，流場剖面的網格分布示意圖如圖3所示。

圖3 流場剖面的網格分布示意圖Fig. 3 Schematic diagram of grid distribution of flow field profile

從圖3可以看到：流場的網格尺寸及密度分布比較合理。

對于葉片表面安裝渦流發生器的區域，也需進一步加密。考慮到渦流發生器的厚度僅為2 mm，因此葉片表面安裝渦流發生器區域的局部網格尺寸相應設置為0.2 mm。葉片表面安裝渦流發生器區域的網格分布示意圖如圖4所示。

圖4 葉片表面安裝渦流發生器區域的網格分布示意圖Fig. 4 Schematic diagram of grid distribution of VG area installed on blade surface

考慮到網格尺寸大小對計算結果可能造成的影響，分別設置不同的網格大小對流場進行網格劃分，網格的基礎尺寸按照4:2:1的比例設置，以驗證計算結果的網格相關性。最終可得到3套不同網格密度的模型，網格數量分別為1600萬、3100萬和5200萬。計算在6 m/s風速下不同網格密度的風輪軸功率，具體結果如表2所示。

表2 6 m/s風速下不同網格密度的風輪軸功率計算結果Table 2 Calculation results of wind wheel shaft power with different grid densities at 6 m/s wind speed

從表2可以看出：模型3與模型1的風輪軸功率偏差為-2.6%，相對較大；模型2與模型1的風輪軸功率偏差為-0.4%，基本一致。采用模型2的網格尺寸設置可以在計算資源和計算精度之間達到很好的平衡，因此，本文后續計算均采用模型2的網格設置。

2.4 求解設置

綜合考慮求解效率及精確度，本次仿真的時間步長取0.05 s，內迭代步數為5，物理時間設置為400 s。

3 結果分析

3.1 CFD仿真分析方法驗證

對于未安裝渦流發生器的風電機組仿真模型，分別采用GH-Bladed和CFD仿真這2種分析方法計算典型工況下的風輪軸功率，可以得到2種分析方法的計算結果偏差，具體如表3所示。

表3 未安裝渦流發生器時典型工況下的風輪軸功率對比Table 3 Comparison of wind wheel shaft power under typical working conditions without VG

從表3可以看出：CFD仿真結果與GHBladed計算結果高度吻合，二者得到的風輪軸功率的最大偏差為-0.66%。

綜上可以得出結論：CFD仿真模型中的邊界條件、網格尺寸、物理模型、求解等相關設置的計算結果均可以滿足計算精度要求，從而驗證了CFD仿真分析方法可以比較準確地計算風電機組的氣動性能。

根據以上分析，可以將同樣的邊界條件、網格尺寸、物理模型、求解等相關設置應用于安裝有渦流發生器的風電機組仿真模型的設置。

3.2 安裝渦流發生器對風電機組氣動性能的影響

采用CFD仿真分析方法，對渦流發生器安裝前、后的風輪軸功率進行仿真，對比結果如表4所示。

表4 渦流發生器安裝前、后風輪軸功率的CFD仿真結果對比Table 4 Comparison of CFD simulation results of wind wheel shaft power before and after VG installation

從表4可以看出：在較低風速(風速為3～5 m/s)下，渦流發生器對風輪軸功率影響較小；在較高風速(風速為6～8 m/s)下，渦流發生器可以較為明顯地提升風輪軸功率，且在風速為8 m/s時，風輪軸功率可以提升1.94%，從而對風電機組發電量的改善也較為可觀。

當風速為8 m/s時，在展向為5 m的相同位置，安裝和未安裝渦流發生器的風電機組葉片表面的局部流線圖對比如圖5所示。

圖5 安裝和未安裝渦流發生器的風電機組葉片表面的局部流線圖對比Fig. 5 Comparison of local streamline diagram of wind turbine blade surface with and without VG

通過圖5的對比可以很明顯發現：氣流通過安裝有渦流發生器的風電機組葉片表面時，流線可以相對更好地附著在葉片表面，從而延緩了流動分離。

4 結論

本文采用CFD仿真分析方法對某型號風電機組葉片安裝渦流發生器前、后的氣動性能進行了仿真分析，并對葉片變槳前典型工況下的風輪軸功率進行了對比，可以得出以下結論：

1)使用CFD仿真分析方法得到的結果和GH-Bladed的計算結果基本吻合，證明CFD仿真分析方法可以比較準確地計算風電機組的風輪軸功率，從而為風電機組葉片的設計提供參考。

2) CFD仿真分析方法作為評價風電機組氣動性能的一種有效手段，可以在設計階段驗證風電機組的發電性能是否符合預期。

3)渦流發生器可以明顯改善風電機組葉片的失速現象，提升風電機組的氣動性能，從而提高其發電效率，增加其年發電量；特別是對于風速較高、風輪轉速較大的環境，安裝渦流發生器可以使風輪軸功率提高1.94%，提升效果更為顯著。因此，在風電機組葉片表面安裝渦流發生器的方式可以在實際工程應用中進行推廣。