第３１卷第１期 文章编号：１００６—９３４８（２０１４）０１—０１３２—０４ 计算机仿真 ２０１４年１月 风力发电机三维流场数值仿真 张耀华，唐胜利，李隆键 （重庆大学动力工程学院，重庆４０００３０） 摘要：大尺度风轮在自然条件下叶片周围流场复杂，对于气动性能影响很大，采用主流方法ＢＥＭ理论在失速偏航时计算误 差较大。为解决上述问题，采用ＣＦＤ软件提供的方法计算不同风速、叶轮转速以及桨距角对于流场绕流的影响，在计算功 率与设计功率很好符合的基础上，详细分析桨叶附面层流动分离现象，并比较了不同攻角下翼型绕流对叶片载荷影响。结 果提出优化方案：不超过运行风速时，流动分离仅发生在根部附近，叶片表面具有良好的绕流特性；超过运行风速时，可通过 变桨调节避免失速，降低叶片载荷强度。计算结果能够为掌握风力机的能量吸收规律、提高叶片气动性能提供支持。 关键词：风力机；三维流场；气动性能；数值仿真 中图分类号：ＴＭ７４３ 文献标识码：Ｂ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ——Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｙａｏ－ｈｕａ，ＴＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｌｉ，ＬＩ Ｌｏｎｇ－ｊｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００３０，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒ－ ｂｉｎｅ ｂｌａｄｅｓ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｌｌ ｐｒｅｄｉｃａｔｅｄ ｐｏｗｅｒｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｗａｓ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｆｌｏｗ ａｒｏｕｎｄ ａｉｆｏｉｒｌｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｔｔａｃｋ ａｎｇｌｅ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｓｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｆｌｏｗ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｓ ｏｎ ｂｌａｄｅ ｒｏｏｔ ｏｎｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｈａｓ ｓｈｏｗｎ ａ ｇｏｏｄ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｆｌｏｗ；ｗｈｅｎ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒｎｌａｌ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃ・ ｉｔｙ，ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｂｌａｄｅ ｌｏａｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｙ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．Ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｇｉｖｅ ｓｕｐｐｏ￣ｔｏ ｍａｓｔｅｒ ｌａｗ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ’Ｓ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；３Ｄ Ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １ 引言 在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再 风力机的能量吸收规律、提高风力机气动性能提供数据，为 叶片强度优化设计提供理论支撑。在数值计算结果与设计 生清洁能源具有巨大开发价值 １－３］，日益为世界各国所重视 和开发。 功率值相当的情况下，针对风力机绕流流场，详细分析了不 同翼型截面上流动以及整机流场情况。通过多种不同的工 况对比，得出了随着风速、叶轮转速、桨距角的变化，风力发 在风力发电机叶片的设计和校核过程中，气动性能计算 是非常重要的环节。目前，气动性能计算的主流方法是动量 叶素理论（ＢＥＭ理论），虽然其计算效率高，但误差较大，且 当风力机处于失速、偏航等工况下时，该理论不适用。考虑 叶片绕流对风力机气动性能的准确计算和分析十分关键，而 电机的扭矩、功率、扭矩的变化规律，并描述了桨叶附面层流 动分离现象，为风力机的叶片结构强度优化问题提出改进方 案。 ＣＦＤ方法能够较好地计算叶片周围详细流场信息，且对桨叶 附面层流动分离现象以及动态失速问题能够较好的模拟，因 此利用ＣＦＤ软件中的方法计算风力机叶片气动性能具有明 显的优势。本文采用ＣＦＤ商用软件ＮＵＭＥＣＡ对东方汽轮机 ２研究模型 ＤＦ７７风力发电机是三叶片、上风向、水平轴双馈异步型 风力发电机，叶轮直径７７ｍ，设计功率值１．５ＭＷ，设计使用寿 命２Ｏ年的风力机。额定转速１７．３ｒｐｍ，转速范围８—１８． 厂ＤＦ７７叶片进行三维数值仿真，重点研究了均匀来流下叶 片定常绕流流场，分析叶片附面层的流动分离情况，为掌握 基金项目：重庆市科委自然基金资助项目（２００６ＢＡ３０２３） 收稿日期：２０１３—０４一Ｏｌ修回日期：２０１３—０５—１１ —１ｒｐｍ，设计切入风速３ｍ／ｓ，切出风速（１０分钟平均值）２５ｍ／ Ｓ，额定风速１２ｍ／ｓ，风轮几何及风力发电机设计运行参数由 东方汽轮机有限公司提供。本文计算的轴向均匀来流３～ ２０ｍ／ｓ条件下五种工况下的三维流动情况。 １３２一 ３数值方法 本文计算方法的基本步骤： ＡｕｔｏＧｒｉｄ５ＴＭ自动生成 ，在软件包中，导入几何、选择几何 模型、给定叶片数目、转速、计算区域大小和网格分布参数， 就可以完成风力机流场网格的生成和边界条件的设定。 第一步：导人几何模型，划分网格并通过生成网格； 第二步：对生成的网格模型给定边界条件； 第三步：针对ＤＦ７７叶片给定湍流模型进行计算直至结 果收敛良好； 第四步：为了解决绕流对叶片载荷强度的影响，针对叶 片附面层绕流分析，并提出优化方案，解决在实际工程中降 低绕流影响的方案。 空气流动遵守三大守恒定律，即质量守恒定律、能量守 恒定律以及动量守恒定律。本文数值仿真对象为风力发电 机叶轮，所以绕叶片流动的控制微分方程包括以下三大方 程： ①三维流动连续性方程： 丝＋ ＋丝：０ ㈩１ Ｏｘ Ｏｙ Ｏｚ ②动量方程（Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程）： “ ＋Ｕｙ 警一古蓑＋一 蔷 ｌ （ 警＋ ＋等）Ｊ （２） ＋Ｕｙ ＋Ｕｚ ０ｚ一一 盖 Ｉ一古 ＋ （ ＋ ＋ ）Ｊ （３） ， 券＋Ｕｚ 一 ¨【０ｚ一古 ＋ （ ≥＋ ＋ ）Ｊ （４） ③湍流模型方程（Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａｒａｓ湍流模型）： Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａｒａｓ模型的求解变量是 ，表征出了近壁 （粘性影响）区域以外的湍流运动粘性系数。 的输运方程 为 ： ｐ瓦Ｄｖ＝Ｇ＋ ［毒｛（ ＋ ）要）＋ｃ ｐ（芸）］一 （５） 其中， 是湍流粘性产生项； 是由于壁面阻挡与粘性阻尼 引起的湍流粘性的减少；ｏ－ 和ｃ 是常数； 是分子运动粘性 系数。 控制方程如上式（１～５）所示。仿真软件ＮＵＭＥＣＡ的 ＦＩＮＥＴＭ／Ｔｕｒｂｏ软件包采用时间相关法求解雷诺平均的 Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ（ＲＡＮＳ）方程（２）和（３），中心节点的有限体 积法离散，显式Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ法求解，全多重网格初场处理 和多重网格迭代加速，以及低速流动的预处理技术等Ｍ 。本 文研究选用一方程Ｓｐａｌａｒｔ—Ａｌｌｍａｒａｓ湍流模型 ］，主要求解 变量是 。 ３．１ 网格生成 网格划分的质量好坏直接影响数值计算的结果，而网格 的生成关键是网格点的合理分布。风力机三维叶片网格通 过嵌入在ＮＵＭＥＣＡ软件包中的风力机网格生成器 图１ 计算域及网格结构示意图 根据三叶片均匀分布周期性以及来流均匀的条件下，只 需选择一个叶片计算模拟，即周向计算域大小为１２０。圆柱。 其上下游各１０倍叶高，径向５倍叶高，如图１所示。叶片附近 区域网格的拓扑结构为０４Ｈ布局，其中弦向网格数１４２，叶片 展向网格数７４，网格总数约为３５０万。叶片和机舱表面大部 分区域ｙ＋小于２。在采用Ｎ—Ｓ方程模拟粘性流动时，需要 通过以下计算公式预估计一个合适的壁面第一层网格厚度 Ｙ ，其计算公式为： ， ． ， 上 ｙ ：６（、 ） ， 、二 （ １。 ｙ 式中 ，为特征速度值， 为动力粘度，￡ ，为特征长 度 。在本文中，轮毂固壁设置为Ｅｕｌｅｒ壁面，不考虑粘性的 影响。叶顶端壁考虑粘性的影响，采用上式设置第一层网格 的厚度。 在本文中，轮毂固壁设置为Ｅｕｌｅｒ壁面，不考虑粘性的影 响。叶顶端壁考虑粘性的影响，采用上式设置第一层网格的 厚度。如图２所示，为生成的网格拓扑图。 图２网格拓扑结构图 ３．２边界条件 所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或 其一阶导数随地点及时间变化的规律 。只有给定了合理 的边界条件，才可能计算出流场的解。计算域外边界给定进 出口边界条件：来流侧给定速度分量和大气温度，其余计算 域外边界设置为出口边界，给定大气压力。叶片壁面为无滑 移边界，轮毂采用Ｅｌｕｅｒ边界。 一１ ３３— ３．３收敛准则 总体参数：总体性能参数（如功率、轴向推力、扭矩等）不 再随迭代步数而变化。在大分离情况下，计算以性能参数呈 周期性变化为收敛。 全局残差：各区域残差下降３个数量级以上 ，迭代 步数选择１００００步，当迭代到一定步，收敛性良好，低风速时 总体性能参数达到稳定，高风速时由于流动分离尺度较大， 总体性能参数呈周期性变化。 ４结果分析 ＤＦ７７风力发电机为变速变桨控制方式，这种控制方式 的优势在于在额定转速以下时，风轮转速可以随风速成比例 调节，不需要变桨，所以，当风速发生变化时，通过自动控制 系统可以使风力机维持最佳叶尖速比不变，在该种情况下， 风力机可以实现最大捕风，即达到风能利用系数最大；当高 于额定风速时，变桨系统可以有效功率，从而保证风力 机安全运行。本文对ＤＦ７７叶片在不同的风速，不同的桨距 角的条件下进行三维数值计算。根据变桨变速控制系统，使 风轮运行在最佳叶尖速比附近。数值计算了桨距角２．５。、４． ３。、２３。，风速３ｍ／ｓ、６ ｍ／ｓ、９ ｍ／ｓ、１１ ｍ／ｓ、２０ ｍ／ｓ，叶轮转速 ９．６ｒｐｍ、１１．７ｒｐｍ、１７．３ｒｐｍ总共五种工况下的叶片载荷、功 率、扭矩等。表ｌ为实际计算结果。 表１五种工况下叶片功率计算结果 芝 瓣 雷 风速／（ｍ／ｓ） 图３五种工况下功率曲线图 图３为风力机功率随风速变化曲线图，方块表示设计 一１３４一 图４五种工况下轴向推力、扭矩曲线图 值，圆点表示计算值，从图中可以看出，仿真计算数据和设计 值吻合很好。图４表示轴向推力和扭矩随风速变化曲线图， 曲线趋势和设计吻合。通过数值计算得出的数据，可以得出 以下规律： １）在桨距角不变（均为２．５。）的三种工况下，随着风速 的提高，叶轮转速的增大，风力机轴向推力、扭矩以及功率均 呈现出上升趋势，即桨距角一定的情况下，随风速、转速增 大，扭矩、功率等增大； ２）当叶轮转速一定时（均为１７．３ｒｐｍ），随来流风速的增 大，风力机扭矩、功率都增大，当增大到额定功率时，随风速 继续增大，通过变桨系统的调节，改变桨距角（由４．３。改为 ２３。），功率、扭矩可以维持在最大功率附近，保证风力发电机 的正常安全运行； ３）从图中可以看出，桨距角均为２．５。的三种工况下，随 着风速和叶轮转速的提高，风力机的功率不断增大，而当桨 距角变化为４．３。的情况下，随着叶轮转速和风速的提高，风 力机的功率变化很小，基本稳定在额定功率附近。 ４．１各截面流场分析 以ＤＦ７７系列翼型为研究对象，分析流场特性，这里主要 讨论了在达到设计要求下的流场绕流特性，即功率在１． ５ＭＷ附近的两种工况（工况４和工况５）。如图５和图６所 示，分别给出了３０％、６０％、９０％叶高处三个翼型在不同风 速，不同桨距角下的压力分布图和翼型流线图。 如图５所示，工况４中压力面和吸力面压力差十分明 显，随来流流过叶轮，压力下降，沿着叶片展向，压差更加明 显。通过工况４与工况５的对比，桨距角的改变对压吸力面 的压差影响很大，主要原因是在风速高于额定风速的情况 下，桨距角的变化可以使风轮吸收的功率维持在额定功率附 近。除此之外，随着叶高不断增大，在叶片表面的流动分离 现象增强。在叶尖处十分明显，从而在叶片后缘拖出尾迹， 形成强烈的卷起涡和内部涡面。形成的涡结构对于叶片会 形成局部压差，从而会使载荷分布不均，影响叶片强度性能。 通过分析图６，同种工况下的比较，即在相同风速下，叶 片沿展向攻角逐渐减小。沿叶片展向，尾缘分离现象越来越 弱，流线逐渐趋于紧密，在越靠近叶根附近，尾缘分离现象比 ［５］ Ｈ Ｂ Ｐａｃｅｊｋａ，Ｒ Ｓ Ｓｈａｒｐ．Ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｙ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ 试验曲 一仿真曲线 ｔｙｒｅｓ ｉｎ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｓｐｅｃｔｓ［Ｊ］． Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，１９９１，２０：１２１—１７６． ． 吾 襄 １ｒ ／ 耐 ：＾ ＼ 』 ［６］Ｅ Ｂａｋｋｅｒ，Ｌ Ｎｙｂｏｒｇ，Ｈ Ｂ Ｐａｃｅｊｋａ．Ｔｙｒｅ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｕｓｅ ｉｎ ｖｅｈｉ— ｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｕｄｉｅｓ［Ｃ］．ＳＡＥ８７０４２１：２．１９０—２．２０４． ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｕｄｉｅｓ［Ｃ］．ＳＡＥ ８９００８７：１０１—１１３． ［７］Ｅ Ｂａｋｋｅｒ，Ｈ Ｂ Ｐａｅｅｊｋａ，Ｌ Ｌｉｄｎｅｒ．Ａ ｎｅｗ ｔｉｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ａｎ ａｐ． ｛ Ｖ 图１１ ７２ｋｍ／ｈ时横摆角速度曲线 ［８］ Ｈ Ｂ Ｐａｃｅｊｋａ，Ｉ Ｊ Ｍ Ｂｅｓｓｅｌｉｎｋ．Ｍａｇｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ ｔｙｒｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｔｒａｉｔ． ｓｉｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｕｐｐｌ，１９９７，２７： ２３４—２４９． ［９］Ｌ Ｐａｌｋｏｖｉｃｓ，Ｍ Ｅ１一Ｇｉｎｄｙ，Ｈ Ｂ Ｐａｃｅｊｋａ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｅ． ｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｙｒｅｓ ｏｎ ａｎ ｕｎｅｖｅｎ ｒｏａｄ ｓｕｒｆａｃｅ：ａ ｄｙｎａｍｉｃ 线性特性。根据蛇行试验的结果分析了类菱形车的蛇行能 力，同时根据类菱形车的蛇行试验验证了非线性侧向动力学 模型。从蛇行试验结果来看，类菱形车具有较好的操纵稳定 性。蛇行试验和非线性侧向动力学模型仿真的结果具有很 好地一致性，模型可以作为类菱形车进行下一步研究的理论 基础。 ｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ‘Ｎｅｕｒｏ—Ｔｙｒｅ Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｅｓｉｇｎ，１９９４，１５（１／２）：１８９－２１５． ［１０］ 陈德铁．利用驾驶模拟器对制动防抱系统的研究及开发 ［Ｄ］．吉林大学，２００３． 参考文献： ［１］ 钟志华．类菱形汽车［Ｒ］．中国．００２６４７９０．７，２００１—１０—１７． ［２］ 屈求真，刘延柱．四轮转向汽车的动力学控制现状及展望［Ｊ］． 中国机械工程，１９９９，１０（８）：９４６—９４９． ［３］ 刘奋．四轮转向汽车侧向动力学特性及其控制研究［Ｄ］．上海 交通大学，２００３． ［４］Ｐ Ｗ Ａ Ｚｅｇｅｌａａｒ，Ｈ Ｂ Ｐａｅｅｊｋａ．Ｔｈｅ ｉｎ—ｐｌａｎｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｙｒｅｓ ｏｎ 里 ［查研钟授能究源云，硕生汽飞勇士车，讲（研１９师究８６１生，一主导）要，师男研（，作究主汉者领要族域简研），为介究安车湖领］徽 辆南域省动为怀力长汽宁学沙车县及市人电控子，博制、士教新； ； 闫晓磊（１９８１一），男（汉族），河南省许昌市人，博士研究生，讲师，主 要研究领域为新能源汽车、拓扑结构优化。 譬ｕｎｅｖｅｎ ｒｏａｄｓ［Ｊ］．Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｓｕｐｐｌ，１９９６，２５：７１４ －７３０． （上接第１３５页） ［３］ 叶傅华，王永．双ＰＷＭ直驱同步风力发电机最大风能捕获 ［Ｊ］．计算机仿真，２０１０，２７（２）：２６０—２６３． ［４］ 范忠瑶，康顺，赵萍．２．５兆瓦风力机气动性能数值模拟研究 ［Ｊ］．工程热物理学报，２０１０，３１（２）：２８７—２９１． ［９］Ｓ Ｓａｗｙｅｒ，Ｋ Ｒａｖｅ．Ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｆｏｒ ２０１１—２０１５［Ｒ］ Ｂｒｕｓｓｅｌｓ：Ｇｌｏｂａｌ Ｗｉｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｕｎｃｉｌ，２０１０． ［１Ｏ］Ａ 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