关于风力机气动尾流场研究

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关于风力机气动尾流场研究

       摘要：本文以单台风力机为研究对象,基于涡系理论研究了风力机载荷和尾流场计算方法,以求能够准确、快速的进行实时计算,为风电场多台风力机的出力和尾流相互作用计算奠定研究基础。深入研究了丌力线方法、升力面方法和面元法的计算原理和数值过程。首先,分别以升力线模型和显式KUTTA条件的非平面涡格法模型为基础,计算了机翼和NREL PhaseⅥ风力机的气动载荷,对计算结果进行了分析比较。然后,以HESS-SMITH研元法为基础,编写了计算二维升力体绕流和三维升力体绕流的计算程序,分别计算了二维翼型、三维机翼以及NREL PhaseⅥ风力机的气动载荷,对计算结果进行了分析比较。最后使用三维面元法计算程序,计算和分析了NRELPhaseⅥ风力机的近、远尾流场。结果表明,而元法较升力线和升力面方法能够更准确的计算风力机的绕流场。与叶素动量理论相比,面元法能够计算叶片表面压力分布和尾流场。

       关键词：风力机；气动载荷；尾流；涡格法；面元法

一．研究的意义

       世界风能协会2009年全球风能报告指出：世界风电装机容量持续以每三年翻一番的速度增长。风电产业在2009年的产值为50亿欧元，从业人员达55万。至1J2012年更可以一次提供100万个就业机会。在全世界新建风电项目建设方面，亚洲国家占40．4％，北美地区占28．4％，欧洲位列第三占27．3％，2010年全世界风电装机可以达到200000Mw的规模。

报告中特别指出，中国继续对世界风电产业起到“火车头”的带动作用，2009年一年新增13800MW的装机容量，成为新机组销售的最大市场，连续四年装机容量以2倍多的速度增长。尽管风电在我国能源结构中的比重还很小，我国的风电规模已经位于世界前列，可见风电作为新能源的主力军，在我国能源结构调整中的作用越来越受到重视。现在风电在我国能源安全和能源供应的多元化方面扮演着重要作用，也在经济增长、扶贫、大气污染防治和温室气体减排中扮演了重要作用。2009年，中国的风机产品达到了超过1，500万kW的装机容量，产值总额为人民币1,500亿元，为国家财政增加税费总额超过300亿元。这一行业也为直接关系风电的就业领域提供了将近15万个工作岗位。中国风电发展报告f2l指出：“假设中国的风电行业能够在2020年实现装机容量2亿kW，风力发电量达到4，400亿kW·h，若不考虑能效提升，那么它们将减少4．4亿吨的温室气体排放量，并通过减少约1．5亿吨煤炭消耗有效控制空气污染。与此同时，形成每年4000多亿的工业附加值，提供约50万人的就业岗位。”由此可以看出，风电产业已经成为我国一项战略产业，它的意义已经不再局限于一项新能源技术或者新能源产业的范畴了。

二．国内外研究现状

       关于风力机气动计算和尾流结构研究方面,学者们提出了很多计算模型和分析方法,进行了大量卓有成效的研究工作"现在计算流体力学CFD的商用软件大规模应用在流体工程领域,使用CFD技术进行风力机绕流以及流场研究的沦文非常多,，这一领域发展速度快并且成果丰硕。但是众所周知，受到计算资源的限制，对风力机进行完全的直接模拟DNS计算，现有计算条件是不允许的。所以使用雷诺平均的RANS求解成为主要的求解手段。即便如此，RANS方法在求解单台风力机定常工况下的流场时，还是需要大量计算时间。

       风力机的实际绕流，是一个非定常的流动问题。而RANS在非定常计算方面受制于本身的模型假设，计算精度受到限制在计算多台风力机的集群风场流场方面，如果不改进计算方法，那么计算资源的消耗程度是工程应用不能接受的。所以，相关研究主要集中在降低CFD计算量，同时保证适当计算精度的方法研究方面。范忠瑶采用准三维的风轮模型对单台风力机在风切变条件下进行了非定常计算。陈凯等简化了风力机模型，使用CFD求解风力机远尾流场。S．Ivancll[使用激盘简化风力机模型，对HornsRev海上风场的风力机集群进行了CFD计算，该计算使用LES计算方法较好的将大型风场尾迹的运动发展以及尾迹干涉对风力机出力的影响计算出来。计算结果显示Horns Rcv风场的风力机排布不太合理，前排风力机尾迹造成后排风力机较大的出力损失。该算例使用100个CPU计算约23周，由此也表明CFD对于大型风力机集群的数值模拟，其计算资源和时间的消耗量离工程应用还有相当的距离。

       风工程对数值模拟技术提出了计算精度和计算资源的双重要求，使得另一个计算手段：涡流计算方法越来越走到研究的前沿。假设流动是无粘不可压缩的，那么这样一个势流场就可以由涡的相互扰动和涡的运动来模拟。由于求解集中在有限的涡线或者涡面上，所以计算量相比较于CFD方法在整个流场计算离散求解NS方程的计算量少的多。相比于叶素动量理论，在模型假设上更接近物理真实，因此能够更好的模拟流场。涡流理论在风力机数值模拟领域展现出巨大的应用前景。

       在涡流理论中将风力机的涡流问题分为内部问题和外部问题。内部问题即风轮涡系的分析问题，外部问题即与风轮涡系相联系的尾流涡系问题。风轮的涡模型可以分为两类：由升力线、升力面理论为基础的升力线模型和涡格模型；由速度面元法或者速度势面元法为理论基础的面元模型。第一类方法将涡线或者涡面布置于叶片的中弧面上，在中弧面上满足物面条件进行求解，因此重点在于模拟叶片绕流问题中的攻角效应和弯度效应，对叶片厚度不做太多考虑。第二类方法将涡、源汇、偶极等势流奇点布置于叶片几何表面，在叶片表面满足物面边界条件。这种方法可以对真实叶片的几何模型进行数值模拟，求解精度高并且可以计算叶片表面和尾流速度场，求出叶片表面压力分布。但是第二类方法计算量比第一类大的多。尾流涡模型大致可以分为固定几何的尾流模型以及自由尾迹模型。固定尾迹模型即预先设定了尾迹几何。这种设定既可以是假设尾迹几何为等直径等螺距的螺旋几何，也可以由流动显示实验归纳出的经验模型设定。自由尾迹模型不同于前两者，不预先设定尾迹形状，而是通过尾迹涡线间的相互作用以及尾迹的发展历史计算得到尾迹几何。所以自由尾迹具有计算风力机非定常工况的潜力，也是现在的一个研究热点。

三．风力机研究存在问题

       随着人们对风力机输出功率的要求不断提高，风力机大型化已经成为趋势。大型兆瓦级风力机是现代风力机的主要成员，而由此带来的新的空气动力学问题的研究还不透彻，很多问题还没有得到很好的解决。例如：1现代大型风力机具有很大的直径(约110米左右)，工作在大气边界层的底端，同样尺寸的飞机飞行在高空以避开强湍流和极端风条件，但是理想气流条件对于风力机而言只是设计工况。大型风力机工作在湍流以及剪切风和部分偏航的复杂流动条件下，对于在这些条件下风力机的气动载荷和功率变化等问题，还有很大的研究空间。2为了保证风力机输出功率的稳定，风力机叶片往往工作在失速条件下。

       在航空领域的空气动力学问题中，需要尽量避免飞行器失速。但是，在风力机的空气动力学问题中，需要深入研究处于深度失速条件下，风力机的气动特性。3流经风力机叶片的气流流动是三维的。例如，受到离心力的作用，位于叶根处，气流的边界层内存在径向流动，又因为风轮的旋转，这部分径向流动受到科氏力的作用，存在与边界层外的气流同方向的弦向流动。这部分弦向流动中由于科氏力的贡献，延迟了叶片的失速。所以，失速延迟问题使得通过建立在二维叶素基础上的传统理论分析方法所得到的二维流动数据具有局限性。4目前，中国已在7个省区打造8个千万千瓦级风电基地。该8个基地分别位于甘肃酒泉、新疆哈密、河北、吉林、内蒙古东部、内蒙古西部、江苏、山东等风能资源丰富地区。这表明我国的风电建设已经进入规模化发究展阶段"因此,风场空气动力学的研究已经具有突出的工程价值。

四．总结

       风力机气动载荷和尾流场研究的核心问题是风力机绕流的数值模拟问题"通过对升力线!升力面!二维和三维面元法的理论研究和程序编写以及针对平飞翼和风力机绕流问题的数值计算等工作,可以得到以下主要结沦:升力线模型简单易用,适用条件是大展弦比薄翼"因此对于风力机绕流问题,对叶片弯度和厚度的影响都不能有效计算"升力面模型适用于薄翼,能够考虑攻角和叶片弯度对升力的影响"其中涡格法模型,求解奇点类型少,模型较为简单容易改进和进一步发展"含有显式KUTLA条件的非平面涡格模型,能够较为准确的计算平飞机翼和风力机叶片的绕流问题"与升力线模型相比,对于风力机气动载荷计算求解精度有很大提高"但是由于建立在薄翼假设条件下,厚度影响不能很好反映,因此对风力机绕流场的求解在叶片叶形厚度较大的区域求解不准确。

参考文献

[1]吴子牛．空气动力学(上册)【M】．清华大学出版社，2007.

[2]杨蚱生，俞守勤．飞行器部件空气动力学【M】．航空工业出版社，1981.

[3]尹佐明．水平轴风力机叶片气动特性分析及外形设计【D】．华北电力大学.

[4]张剑锋，刘思永．水平轴风力涡轮的改进升力线算法【J】．太阳能学报，1997.

[5]竺晓程，沈昕，杜朝辉．带失速延迟模型的改进型升力线法预测风力机性能【J】．太阳能学报，2007，28(5)：544.

[6]沈昕．水平轴风力机气动性能预测【D】．上海交通大学，2007.

学院：能动学院

专业：动力工程

学号;122085206002

姓名：许世海