基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

2020-06-06刘玥君邓文强

东北电力大学学报 2020年2期

刘玥君，邓文强，张猛

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012；2.吉林市城乡规划研究院，吉林吉林 132001)

我国地域辽阔，风能资源十分丰富，近年来在国家政策的大力扶持下，风力发电产业愈发壮大.风力发电机所处的风场环境是非常复杂的，风力发电机在运行中会因风压的作用而产生变形和位移，而变形和位移会反过来对风场的流动而产生影响，从而导致风力发电机表面风压随之变化，如此来回往复的相互影响即为风力发电机与风场的耦合机理[1].国内外许多学者都在这一领域进行了研究，Bing zheng Dou等[2]使用一个风力涡轮模型，改变了叶尖速比、变桨距和偏航角，对其性能进行了系统的试验研究.Y.Bazilevs等[3]采用先进的计算方法预测在实际风速和转子转速下运行的风力涡轮机复合材料叶片的疲劳损伤演化.Ehsan Borouji等[4]使用双向耦合FSI模拟研究了全尺寸风力机的风塔和转子叶片振动特性.彭文春等[5]研究了大型风力机塔筒在随机风荷载下的受力和变形特性.常丽平等[6]对复合材料的风力发电机叶片进行研究，分析了不同风速和叶片厚度对风力发电机应力及变形的影响.毛军等[7]考虑了叶片在运转过程中的弹性变形与振动对流场的影响.莫秋云等[8]对离网小型垂直轴风力发电机叶片进行了流固耦合计算，研究了叶片的气动性能.起雪梅，张敬东[9]对2.0 MW风力发电机的叶片模型进行了流固耦合分析，得到了叶片在流场中应力、应变和变形等有限元分析结果.陈海萍等[10]对风力发电机叶片在风、重力和离心力的耦合作用下的动力特性进行了仿真分析.胡丹梅等[11]对海上风力机的叶片在流固耦合条件下进行了变形及振动分析.牛建刚等[12]建立了风力发电机塔筒的三维风场模型，通过CFD数值模拟计算出风流经风力发电机塔筒时风压分布情况，提出了塔筒风压体型系数的建议取值.聂永辉等[13]甚于多小波和峭度准则对风力发电机滚动轴承故障进行检测，保证风力发电机的安全运行.

目前对风力发电机的数值模拟，大多数的学者仅仅考虑了叶片或塔架的强度问题，很少涉及风力发电机整机周围流场的变化特征.为了能够更加合理的研究风力发电机的运行状态，本文利用流固耦合方法对风力发电机的整机结构进行模拟研究，对风力发电机尾迹及其叶片旋转域周围流场进行了分析，为风力发电机的设计与检验提供一定的参考.

1 流固耦合模型

1.1 几何模型的建立

风力发电机结构十分复杂，尤其叶片部分更加不规则，但是风机叶片与风力发电机周围流场特性密切相关，因此不能对叶片过于简化.本文采用UG专业画图软件，选取翼型为NACA4412型，翼型坐标如图1所示.通过Wilson设计法与坐标转换得到三维坐标点，拟合离散点得到多个叶片空间截面，对截面进行蒙皮操作得到完整的风力发电机叶片模型，最后将其导入到ANSYS Workbench中装配机舱和塔架获得完整的风力发电机三维模型.由于主要研究风机周围流场特性，对机舱和塔架进行了一定的简化.额定功率为200 KW的风力发电机模型各项参数如表1所示.风力发电机三维几何模型如图2所示.

表1 风力发电机参数

图1 NACA4412翼型坐标图2 风力发电机模型

风力发电机在运行过程中其叶片是转动的，叶片周围的空气在叶片的扰动下也是旋转的，因此风力发电机的流场由两部分组成.一部分是代表叶片周围有旋转速度空气的旋转域，另一部分是包括整个风力发电机和旋转域的外流域.旋转域必须包含所有的叶片以及一部分的转轴，旋转域模型如图3所示.为了消除尺寸的影响外流域必须足够大，但风场的尺寸越大，其后的计算量就会非常巨大，从而给计算机带来巨大的压力.综合考虑之下，外流域为一个长方体，长度为200 m，宽度为100 m，高度为75 m，风力发电机位于外流域流场的中心，距离入口处50 m.流场整体模型如图4所示.

图3 旋转域模型图4 流场整体模型

1.2 模型的网格划分

利用ANSYS Workbench中的Mesh模块对流场和结构进行网格划分与网格处理.风力发电机结构并不规则，不宜使用扫掠的六面体方法进行划分，本次模拟选用四面体网格进行划分，在风力发电机与流场的接触面进行了加密处理，加密处网格如图5所示.其中，流场的网格单元数为2 499 275个，节点数为496 149个，风力发电机结构划分网格单元数为388 194个，节点数为568 085个.利用Mesh metrics功能查看网格质量，其平均值为0.806 43，表明网格质量较好.

2 流固耦合分析

2.1 边界条件及求解条件设置

为旋转域和静止域赋予流场的运动参数，旋转速度为55 r/min，湍流强度选为Shear Stress Transport，所有的流体材料为25 ℃的空气，参考压力设置为1个标准大气压.

入口边界条件设置为风速14 m/s，风机表面的边界条件设置为Wall，且无滑移、光滑，其余的边界条件设置为Opening(开放式边界条件)，此种边界条件处空气既可以流入也可以流出.边界条件设置情况如图6所示.在求解器设置中设置为High Resolution，湍流数值设置为First order，考虑到模型的尺寸以及网格数量巨大，设置最大迭代步数为5000步，设置收敛残差目标值为1E-4.

2.2 流场分析

速度流线图如图7所示，从入口流经旋转域的空气在核心区产生了旋转，并且其核心旋转区域周围的空气有向四周扩散的趋势.压力云图如图8所示，可以看出在风轮及塔架迎风面压力为正，在风力发电机后方出现了负压区，随着距离风力机越远，压力逐渐由负压转为正压.速度云图如图9所示，空气在流经旋转域时，由于受到风力发电机叶片的旋转的影响，叶尖处部分流体的速度相对于入口的均匀流速有了较大的增强，但在风轮、机舱以及塔架后方出现了风速为零的区域.速度矢量图如图10所示，部分流经风力机的空气的速度方向发生了改变，甚至出现了回流现象，这正是塔影效应的影响.

图7 速度流线图图8 压力云图图9 速度云图图10 速度矢量图

距离风力发电机后方为20 m、40 m、60 m、80 m、120 m、150 m的湍动能云图及曲线图如图11、图12所示.从图11云图中可以看出空气在流经风力发电机之后其湍动能的扩散趋势，距离越远，湍动能扩散的面积就越大.在每个截面的中心处提取一条直线，以风力发电机旋转轴前端为坐标原点，直线最底端为地面，其坐标点为Z=-25 m，直线最上端为流场的最上端，其坐标为Z=50 m，六个截面取出六条直线，如图11所示，提取每条线上的湍动能结果，整合为一个曲线图.由图12看出每条曲线的大体样式如同一个“M”型.从Z=-25 m处往上，湍动能逐渐变大，在第一条曲线即X=20处，第一个拐点处即Z=-10 m处，此处进入了叶片旋转域的下部边缘区域，随着位置逐渐向风轮的中心点处靠近，湍动能又逐渐变小，到达Z=0 m处，即为对应风轮的中心位置，随着高度继续增加，湍动能又随之增加，到达Z=10 m处，即对应风轮区域的上部边缘，随着距离旋转域的竖向距离的变大，湍动能越来越小.从一条曲线的趋势可以看出，风轮叶片的旋转增大了气流的湍流度，在旋转域中，风轮的中心点处湍动能最小，随着向周围扩散，湍动能越来越大，脱离旋转域后湍动能又变得越来越小，趋近于0.总体看来，随着距离风力发电机越远，其峰值的湍动能就越小，表明越远处湍动能越减小，最终趋向于0.从拐点出现的位置来看，其拐点距离旋转域上下边缘处的距离越来越大，这表明距离风力发电机越远，湍动能扩散的面积越大，这是由于尾流中的动能及湍动能与周围低速的气流进行能量的交换并相交融而导致的.由此可知，在布置风力发电机组时，为了不使两台风力发电机由于尾流的影响而导致其性能降低，以其叶片的长度L为单位，两台风机距离一般不能小于15 L.

图11 流场各截面竖向湍动能分布云图图12 湍动能分布曲线图

以风力发电机旋转轴处为原点，分别在机舱上方2 m、3 m、4 m处观察其尾流速度的变化情况，提取其所在位置的水平方向和竖直方向速度，结果绘成如图13及图14所示曲线.由图13水平方向速度曲线图可以看出，随着距离风力发电机越远，尾流速度大小波动越趋于平稳，并且趋向于入口流速，而在旋转域后10 m至30 m处，风速出现了波动.由于叶片以及机舱对风速产生塔影效应的影响，一部分流体速度方向发生了改变，甚至出现了回流现象，使得水平方向上速度减小，随着距离风力发电机的位置越来越远，这种波动就随之平稳，且速度越来越趋向于入口流速.由图14竖直方向速度曲线图可以看出，在10 m到15 m处，产生了竖直方向的分速度，这表明在机舱附近尾流有了向下的趋势，但随着距离的增加，竖直方向的速度逐渐减小直至消失.

图13 水平方向速度曲线图图14 竖直方向速度曲线图

旋转域风速矢量图如图15所示，在叶片旋转过程中使得旋转域内的空气同时发生了旋转，在气流与叶片接触面处，由于翼型的影响，使其速度方向发生了改变，产生了除水平方向外的速度分量.以风轮中心旋转轴处为原点，在旋转域水平方向上提取速度结果如图16所示.从叶片外缘至旋转轴中心，其速度基本呈现出一直变小的趋势，在中心位置处由于轮毂的影响产生了一些波动.旋转域风压及叶片风压如图17、图18所示，在叶片的上边缘所受的风压最大，而下边缘形成了负压区，随着距离叶片根部越近，其压力值也逐渐变小，正是这种正压与负压的压力差使得风力发电机叶片产生了对旋转轴的扭矩，提供了叶片旋转所需要的动力.