风力机气动性能数值模拟研究综述

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风力机气动性能数值模拟研究综述

摘要：叶片是风力发电机捕捉风能的核心部件。在风力发电技术中叶片技术是关键技术之一，叶轮叶片的设计直接影响风能的利用效率。为了深入了解翼型、叶轮和整机的气动性能，仿真气动流场，预测机组运行性能，优化机组运行，通过专业流场计算软件对风力发电机进行翼型、叶片和叶轮的气动数值模拟分析和研究。
关键词：风力机 叶片 气动性能 数值模拟
前言
       随着社会经济的快速发展，能源供应渐趋紧张，环境问题也日益突出，而风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。近5年来，世界风能市场每年都以40%的速度增长。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。现在，风能发电成本已经下降到1980年的1/5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。随着风电产业近年来的快速发展，风力机组性能测试与运行优化，提高风力机风能利用效率，叶片优化与选型等问题备受关注。而解决这一系列问题的关键在于对风力机气动性能的研究与分析。
      风力机发电就是通过捕风装置的叶轮将风能转变成机械能，再把机械能转化为电能。风力机依靠叶轮汲取风能。叶轮性能取决于叶轮上叶片的数量和外形设计。风力机叶片翼型的性能如何，直接影响着风能转换的效率。因此，翼剖面的气动特性是研究叶片性能的关键。目前检测风力机翼型气动性能的主要手段是风洞实验和数值模拟。风洞试验研究耗时，耗资，随着计算机技术发展以及湍流模型的不断完善，应用数值方法研究风力机翼型的气动性能已成为重要途径和发展趋势。
一．风力机气动性能研究现状
       国外在风力机气动性能数值模拟领域开展研究要比国内早3年，而且研究更深入，研究成果更多。国内在三维气动数值模拟方面明显滞后，二维气动也主要基于航天领域来开展研究。在数值模拟计算方面，国内运用Fluent及其他数值模拟软件进行计算的也很少，可见在风力机气动模拟领域专业流体计算软件还没广泛运用。很多研究人员运用自编的N-S方程程序进行计算，证实了数值计算也可以很好地对风力机气动性能进行模拟，只是较之专业软件在图形和计算后处理方面有不足的地方。
       风力机翼型的气动性能数据对计算风力机的整体性能非常重要。然而准确的翼型实验数据并不是总可得，并且实验所耗费的时间和资金都比较大。数值计算是获得翼型性能数据的另一种方式。数值计算的方法从早期的势流和边界层耦合方法发展到了现在求解N-S方程的全湍流计算方法。目前这依然是需要深入研究的领域，还没有一种模型能用于所有翼型的气动性能计算。翼型气动性能分为翼型的静态性能和动态性能两方面。国内外研究者在此领域进行了大量的数值计算工作，主要针对翼型Y809,NACA0012,NACA4418，应用不同湍流模型和大涡模拟技术进行了不同攻角下的定常和非定常翼型绕流研究，描述了各种翼型在变攻角工况下大尺度分离、失速流场的流动特性。
二．风力机气动性能研究方法
       叶轮是风力发电机的核心部件，研究风力机的气动性能就是研究叶轮与空气来流之间的相互作用，而所用到的基础理论是空气动力学。最初，风力机叶片的气动理论由船用螺旋桨理论发展而来，后期，重点借鉴直升机桨叶气动分析理论。叶片和翼型的空气动力学特性是由它的几何形状决定的，对风力机气动性能进行计算，首先要建立风力机的空气动力学模型，进而研究风力机的空气动力特性。目前，气动研究的主要方法有两种：动量一叶素理论方法和CFD方法。
       动量一叶素理论由动量理论和叶素理论构成。动量理论描述了作用在风轮上的力与来流风速之间的关系，给出了风轮究竟能从风的能量中转化多少机械能。叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。通过计算得到作用在每一段叶素上的气动载荷从而得到整个叶片的气动载荷。动量一叶素理论广泛用于风力机叶片的的设计和性能计算。目前许多用于风力机气动性能的计算软件大多是基于叶素理论而开发的。
       计算流体力学（ComputerFluidDynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包括有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。流体运动的规律都是以下三个定律为基础的：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。而采用数值计算的方法，通过计算机求解这些数学方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这就是计算流体力学。CFD方法通过建立风力机流场的数学物理模型，在计算区域上求解粘性流动控制方程，得到风力机流场中各种流动参数分布的详细情况。通过全三维的流动计算和分析，尤其是对叶片气动性能的计算和分析，可以有效地分析和改善气动性能。同时也为进一步建立全三维的风力机叶片甚至叶轮的设计体系提供了必要的条件。随着计算机速度的提高和计算能力的发展，CFD必将成为风力机性能计算的主要方法。
三．风力机气动性能研究中存在的主要问题
1.由于翼型时速对风力机气动设计的重要性，更多的研究还是集中在翼型静态失速性能的模拟计算中。但由于缺乏有效的湍流模型，对翼型分离流动的模拟仍然不是分准确。如何准确地模拟翼型失速性能依然是需要解决的问题；
2.由于风力机运行在动态环境中，翼型的动态失速性能也十分重要，而目前动态失速的模拟大都采用经验模型，CFD方法也只是针对少量翼型的动态失速进行了计算；
3.在风力机气动性能计算中，大部分研究者关心的是采用的模型是否准确，而计算的工况也大多是实验给定的条件，对叶轮本身特性对其气动性能影响的研究还十分有限。
四．总结
      通过对风力机气动性能的研究，深化对风力发电机组二维叶片翼型、三维叶片及其整机的气动性能和特性的了解;证实风力机气动性能数值模拟的可行性和可靠性;优化翼型、叶片和叶轮几何参数从而优化叶轮气动性能;计算风力机升力、阻力、扭转力矩、机组功率和风能利用效率等性能参数;预测风力机运行性能和尾流湍流情况，并达到仿真风力发电机组气动流场的目的。可为叶片设计和安装、风轮安装、整机组装设计、新型号机组研发、整机试运行、风电场机组布置和运行等实验、设计和研发工作提供技术参数和指导意见，从而优化机组设计，提高研发能力，缩短研发周期，节省大量实验开支。
参考文献
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任鹏 流体机械及工程 122080704024