小型风电机组风轮流线分析研究

2015-11-25杨柳汪建文马剑龙魏海姣张彦奇李佩林

风能 2015年8期

文|杨柳，汪建文，马剑龙，魏海姣，张彦奇，李佩林

风电机组运行于开放的随机变化的自然大气环境中，叶片是风电机组中受力最复杂的部件，其在不停地做旋转运动，各种激振力几乎都是通过叶片方向传递出去的。尤其是对于展向长、弦向短的细长体，柔性好的风电机组进行的稳态数值分析误差很大，同时由于流体流过风电机组叶片时会产生复杂的非定常性运动，实验在测量技术上很难达到，故可以利用ANSYS 有限元分析软件数值模拟使其流场非定常性运动得以实现。

在国外，日本东京大学Chuichi Arakawa 等对风电机组进行了非稳态模拟计算，通过改变叶尖形状从而降低噪声。2010 年澳大利亚纽卡索大学M.J.Clifton-Smith 针对小型风电机组进行非稳态数值模拟通过改变不同翼型截面的弦长和扭角提出了一种新的数值优化方法。美国可再生能源实验室的Y.Bazilevs 等人对大型海上风电机组进行了详细非稳态数值模拟分析。

在国内南京航空航天大学陈龙等利用DES 方法进行超音速空腔非定常数值模拟同时也证明该方法的可行性，为今后更深入地研究飞行器上的各种腔体气动特性打下了基础。2009 年，新吉勒图在旋转区域网格处理上采用滑移网格模型，对水平轴风电机组尾流流场进行非定常特性的模拟计算。上海电力学院胡丹梅等人利用ANSYS 的FULENT 计算软件进行了双向流固耦合。国内外进行流场气动性能分析的很多，大多是利用模拟软件FLUENT 来进行，而本文主要采用本人所在课题组自己所建立的小型风电机组，然后利用ANSYS 中的CFX 模块进行非稳态流场模拟计算。

模型的建立

本文将叶片的每一个叶素面的三维坐标以文本文件（.txt）形式，利用Solidworks 零件图中的“通过xyz 曲线”命令，得到翼型面轮廓线的样条曲线，然后依次读取各翼型面的翼型坐标，利用“平面区域”命令将各叶素轮廓线填充为平面，将轮廓线转换为实体引用，根据翼型扭角进行坐标变换，得到风电机组叶片翼型；其次，基于放样理论，利用“放样”命令，将各截面逐一放样成实体图，并结合叶根数据生成叶片实体，最后利用阵列功能得到具体的模型如图1 所示。

计算域的建立与设置

利用流场计算软件CFX 进行非稳态流场模拟，由于风电机组表面是无滑移、无渗透、不可压缩风场是有旋流场运动，加之FSI 面速度压力分布均相等，故将计算域分为两个域：静止域与旋转域，静止域的主要作用是用于进出口风速和风压的设置，其网格类型为普通的滑移网格；由于风电机组旋转过程中旋转域的网格会发生变形，故旋转域的网格类型设定为变形网格，用于与风电机组叶片与外界环境的互相传递，如图2 所示。

图1 风轮模型

图2 计算域

对于ANSYS 的CFX 中非稳态的设置主要包括出口压力的设置、入口风速设置、静止域和旋转域设置、交界面设置。静止域的进口风速设置为：8m/s，出口相对压力为：0Pa ；旋转域的旋转速度为：57.14rad/s，同时FSI 面必须在旋转域中设置，并且FSI 面为风电机组的所有叶片表面。计算域设置如图2 所示。

结果分析与处理

一、风轮流线分布

经过非稳态算法计算模拟可得风轮流线分布情况如下。从图3 可以看到在风电机组叶尖处流线密度最大，因此可得叶尖周围的流体流动速度最大，反之可知，风电机组叶尖处的运动速度最大，从图4 可以观察到有明显流线内卷的现象，可能由于在风电机组叶片根部的流动现象比较复杂，同时出现分流的现象，这种流线内卷现象会造成风能损失。

二、风轮叶片三截面速度、流线云图分析

为了比较分析距离风轮不同截面的速度、流线的分布，在风电机组同一叶片下、相同攻角处，分别选取叶片展向方向上距离风轮中心三个截面分别是30%R、60%R、90%R，如图5 和图6 所示分别为三截面处速度、流线分布云图。

图5 可以观察到在三个截面中随着沿叶展方向距离风轮中心30%R、60%R、90%R 的变化前缘处速度越来越大。