湍流强度对水平轴风力机气动性能的影响

李仁年,任　鹏,李德顺

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州　730050;2.甘肃省风力机技术工程研究中心,甘肃 兰州　730050)



湍流强度对水平轴风力机气动性能的影响

李仁年1,2,任鹏1,李德顺1,2

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州730050;2.甘肃省风力机技术工程研究中心,甘肃 兰州730050)

摘要为了研究水平轴风力机气动性能随湍流强度的影响,基于CFD软件对不同来流风速工况下的33kW水平轴风力机风轮模型进行三维数值模拟,对比分析风力机在湍流强度I为0.1%、14%、25%时的气动性能。结果表明:随着来流湍流强度的增加,水平轴风力机叶片表面压差会有一定程度的减小,从而导致风力机风轮转矩减小,风力机风能利用效率明显降低。

关键词数值模拟;水平轴风力机;湍流强度;气动性能

近年来,化石能源的急速消耗与其产生的大气污染问题受到了世界各国政府的高度重视。风能作为一种清洁环保的可再生能源,它的开发利用成为解决这一世界难题不可或缺的途径。风能开发利用包括了风场风资源评估和风力机设计选型等重要环节。其中,湍流强度是风场风资源评估的重要指标之一,同时也是决定风力机设计标准和安全性能的重要参数[1]。湍流强度反映了风的湍流特性,风的湍流扰动会在风力机叶片上产生非定常的载荷波动,从而影响风力机的气动性能[2-5]。

目前,研究风力机气动性能的主要方法已由传统的二维叶素理论方法发展为三维流场数值模拟方法[6]。王强[7]基于CFD软件,采用SST k-ω湍流模型对低风速来流工况下的NREL PHASE VI风力机叶片进行全三维数值模拟,并将模拟结果与美国国家可再生能源实验室的实验数据进行对比,结果表明风力机叶片气动性能可以通过三维数值模拟方法相对准确地反映出来。黄宸武等[8,9]针对水平轴风力机及其缩比模型,在相同雷诺数和尖速比的条件下利用CFD方法计算得到各模型的气动性能,通过比较和分析各模型的流场信息,揭示了引起气动性能差异的主要原因。王琦峰等[10]采用数值模拟的方法,分别使用S-A、标准k-ε、RNG k-ε和SST k-ω四种湍流模型,对水平轴风力机的气动性能进行研究,并将计算结果与实验结果进行对比,认为SST k-ω湍流模型可以很好地描述流场流动情况。

我们以水平轴风力机为研究对象,根据相似理论及风力机的设计参数,运用Pro/E软件建立对应的三维风轮缩比模型,并运用FLUENT软件对三维风轮缩比模型进行流场分析,计算不同湍流强度工况下的风力机气动性能,得到相应的气动性能曲线,对比分析湍流强度对水平轴风力机性能的影响规律。

1湍流强度

湍流在空气动力学中指的是短时间(一般少于10 min)内的风速波动。湍流产生的原因主要有两个:一个是当气流流动时,由于地形差异(如山峰)造成的与地表的摩擦或者阻滞作用;另一个是因大气温度差异和空气密度差异引起的气流垂直流动。通常这两种原因彼此影响[11]。

湍流是一个复杂的随机过程,可以用其统计规律进行描述。湍流强度用来描述风速随时间变化的程度,反映脉动风速的相对强度,是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。湍流强度定义为标准风速偏差与平均风速的比率,即

(1)

地表的粗糙度和高度决定湍流强度的大小。但是,湍流强度通常会受到地貌特征的影响,如丘陵和山脉,以及位于上风向的树和建筑等障碍物。同时,它还受大气热运动的影响。例如,当气温升高时,接近地面的空气会穿过大气上升,这将引起大规模的湍流对流。

用于设计计算的湍流强度的确切值可以由其他的一些用于风力机设计计算的标准来进行规定,其纵向风速分量标准偏差和湍流强度分别为

σ=I15(15+aVhub)/(a+1),

(2)

(3)

其中:I15为15 m/s风速时计算的湍流强度特征值;a为斜度系数;Vhub为轮毂高度平均风速。对于较高湍流强度等级A,取I15=0.18,a=2;对于较低湍流强度等级B,取I15=0.16,a=3。

IEC61400-1标准下风场湍流强度曲线如图1所示。等级A的湍流强度曲线高于等级B的湍流强度曲线,风场湍流强度随着风速的增加而减小。

2风轮三维数值计算

2.1计算模型与网格划分

选取某实验风场33kW两叶片水平轴风力机为原型建立几何缩比模型。原型风轮直径为14.8 m,轮毂中心高16.1 m,切入风速4 m/s,切出风速为23 m/s,额定转速为85 r/min,额定风速为11 m/s,额定功率为33kW,叶片采用NACA4415-4430系列翼型[13]。根据相似理论,在保证模型和原型风力机几何相似的条件下,取模型风轮直径为500 mm。

流场计算域为圆柱形,圆柱半径为4倍风轮半径,上游延伸6倍风轮半径,下游延伸10倍风轮半径[14]。整体采用结构化网格,网格单元数为845万,网格质量满足计算要求。

2.2计算方法和边界条件

数值模拟采用SST k-ω湍流模型,采用标准壁面函数求解近壁流动,压力和速度耦合采用SIMPLE算法,相关变量均采用二阶迎风离散格式处理,旋转区域采用多重参考系模型进行计算。设置入口边界条件为速度进口,出口边界条件为自由出流,叶片和轮毂表面均为无滑移壁面。

在设置速度进口边界条件时,通过给定湍流强度和湍流粘度比来定义流场的湍流。在现代低湍流度风洞中,自由流的湍流强度可由风洞的特征长度估算出来,其湍流强度值约为0.1%。根据标准,风速在4～23 m/s之间时,风场湍流强度大体处于14%～25%的范围内,故分别取湍流强度为0.1%、14%、25%。在大部分外部流动的自由流边界上,湍流粘度比的数值很小。一般情况下,湍流粘度比通常在1～10之间,故取其值为10。

3模拟结果对比分析

3.1叶片表面压力分布

分别取来流速度为7 m/s、11 m/s、23 m/s,风轮转速为2 516 r/min,对应的叶尖速比分别为9.41、5.98、2.86。沿叶片展向在0.2R、0.6R和0.8R处做叶片截面翼型,计算得到各截面翼型在湍流强度分别为0.1%、14%和25%时的压力分布曲线,如图2～图4所示。

由图2～图4可以看出,在同一来流风速下,从0.2R～0.8R截面,各截面翼型的压力面压力增大且吸力面压力减小,翼型表面压差增大;随着来流风速的增加,叶片压力面压力增大且吸力面压力减小,叶片表面压差增大。当来流风速为7 m/s时,沿展向0.2R处截面翼型吸力面在I=0.1%下的压力值略小于I=14%和I=25%下的压力值,同时,I=14%下的值略小于I=25%下的值;沿展向0.6R和0.8R处截面翼型分别位于叶片中部和叶片尖部,此时三种湍流强度对表面压力影响不是很明显。当来流风速为11 m/s时,湍流强度对叶片表面压力的影响非常明显,I=14%和I=25%时三处截面翼型的吸力面压力值均比I=0.1%时的大,而压力面的压力值基本保持一致,导致叶片表面压差变小,影响风轮出力。当来流风速为23m/s时,沿展向0.2R处截面翼型吸力面靠近尾缘区域的压力存在不规律性分布,说明翼型工作在大攻角下存在剧烈的流动分离,不同湍流强度的来流引起的分离区内流动比较复杂,但总体上I=0.1%时该翼型表面的压差要大于I=14%和I=25%时的压差。

综上所述,湍流强度的变化会引起叶片表面压力的变化,尤其在叶片根部表现最明显,且在风速为11 m/s时不同湍流强度对叶片表面压力的影响最敏感。当来流湍流强度增加时,截面翼型的吸力面压力值增大,压力面压力值无明显变化,翼型表面压差减小,从而引起翼型升力的减小,降低风轮的气动性能。

3.2转矩性能

图5为湍流强度分别为0.1%、14%、25%时风轮转矩随风速变化的曲线图,图6为湍流强度分别为0.1%、14%、25%时风轮风能利用系数随叶尖速比的变化曲线。

由图5可以看出,风轮转矩随风速增大而增大。风速在4～7 m/s时三种湍流强度下的风轮转矩无明显差异,说明在低风速工况下风轮转矩对湍流强度的变化并不敏感。当风速超过7 m/s时风轮转矩会随着湍流强度的增加而明显减小,风轮在高湍流强度I=25%时转矩最小,这说明在中、高风速工况下风轮转矩对湍流强度的变化很敏感,且湍流强度越大,风轮出力越小。

由图6可以看出,风轮的风能利用系数随叶尖速比的增大而先增大后减小。随着来流湍流强度的增加,风能利用系数会明显递减。当叶尖速比为2.86,I=25%时风轮风能利用系数最低,比I=14%和I=0.1%时分别低5.4%和10.9%。风轮随着叶尖速比的增大受到来流湍流强度的影响越明显,当叶尖速比为5.98时,风能利用系数达到最大值,此时不同湍流强度对风轮风能利用系数的影响最明显,I=14%和I=25%时的风轮风能利用系数比I=0.1%时分别降低了12.4%和22.7%。

综上所述,来流湍流强度对水平轴风力机的气动性能影响明显,随着湍流强度的增加,风力机风轮转矩有一定程度的降低,导致风力机风能利用效率降低。

4结论

通过对水平轴风力机风轮模型进行三维定常湍流数值模拟,对比分析风轮分别在湍流强度I为0.1%、14%、25%时的气动性能,得到以下结论:

(1)随着来流湍流强度的增加,叶片吸力面压力增大,压力面压力基本保持不变,导致叶片表面压差减小,降低了风轮的气动性能,其中,叶根附近的表面压力变化较为明显;

(2)随着来流湍流强度的增加,风轮转矩和风能利用系数明显减小,水平轴风力机气动性能会发生明显的降低,高湍流强度I=25%时风轮的最大风能利用性能比低湍流强度I=0.1%时低22.7%。

参考文献

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he Influence of Turbulence Intensity on Aerodynamic Performance of Horizontal Axis Wind Turbine

Li Rennian1,2,Ren Peng1,Li Deshun1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Gansu Provincial Engineering Center for Wind Turbines,Lanzhou 730050,China)

Key wordsNumerical simulation;Horizontal axis wind turbine;Turbulence intensity;Aerodynamic performance

AbstractIn order to study the influence of turbulence intensity on aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine,a three-dimensionally numerical simulation of wind wheel model of 33kWhorizontal axis wind turbine under different working conditions of wind speed of incoming flow is conducted based on CFD software by comparing and analyzing aerodynamic performance of wind turbine when the turbulence intensity(I) is 0.1%,14% and 25%.The results show that differential pressure on the surface of horizontal axis wind turbine blade decreases on a certain degree with the increase of turbulence intensity,which causes that torque of wind wheel of wind turbine decreases and wind power utilization efficiency of wind turbine is clearly reduced.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.010.

收稿日期:2015-04-08;修回日期:2015-05-11.

基金项目:国家自然科学基金(51166009).

作者简介:李仁年(1963-),男,甘肃民勤人,教授,博士生导师,研究方向为流体机械.E-mail:fox925@yeah.net. 通讯作者:任鹏.E-mail:rp72433@163.com.

中图分类号:TK83

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)03-0044-05

引用格式:Li Rennian,Ren Peng,Li Deshun.The Influence of Turbulence Intensity on Aerodynamic Performance of Horizontal Axis Wind Turbine[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):44-48.[李仁年,任鹏,李德顺.湍流强度对水平轴风力机气动性能的影响[J].甘肃科学学报,2016,28(3):44-48.]