李仁年,任　鵬,李德順

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;2.甘肅省風(fēng)力機(jī)技術(shù)工程研究中心,甘肅 蘭州　730050)

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湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響

李仁年1,2,任鵬1,李德順1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;2.甘肅省風(fēng)力機(jī)技術(shù)工程研究中心,甘肅 蘭州730050)

摘要為了研究水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能隨湍流強(qiáng)度的影響,基于CFD軟件對不同來流風(fēng)速工況下的33kW水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬,對比分析風(fēng)力機(jī)在湍流強(qiáng)度I為0.1%、14%、25%時的氣動性能。結(jié)果表明:隨著來流湍流強(qiáng)度的增加,水平軸風(fēng)力機(jī)葉片表面壓差會有一定程度的減小,從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩減小,風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率明顯降低。

關(guān)鍵詞數(shù)值模擬;水平軸風(fēng)力機(jī);湍流強(qiáng)度;氣動性能

近年來,化石能源的急速消耗與其產(chǎn)生的大氣污染問題受到了世界各國政府的高度重視。風(fēng)能作為一種清潔環(huán)保的可再生能源,它的開發(fā)利用成為解決這一世界難題不可或缺的途徑。風(fēng)能開發(fā)利用包括了風(fēng)場風(fēng)資源評估和風(fēng)力機(jī)設(shè)計選型等重要環(huán)節(jié)。其中,湍流強(qiáng)度是風(fēng)場風(fēng)資源評估的重要指標(biāo)之一,同時也是決定風(fēng)力機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全性能的重要參數(shù)[1]。湍流強(qiáng)度反映了風(fēng)的湍流特性,風(fēng)的湍流擾動會在風(fēng)力機(jī)葉片上產(chǎn)生非定常的載荷波動,從而影響風(fēng)力機(jī)的氣動性能[2-5]。

目前,研究風(fēng)力機(jī)氣動性能的主要方法已由傳統(tǒng)的二維葉素理論方法發(fā)展為三維流場數(shù)值模擬方法[6]。王強(qiáng)[7]基于CFD軟件,采用SST k-ω湍流模型對低風(fēng)速來流工況下的NREL PHASE VI風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行全三維數(shù)值模擬,并將模擬結(jié)果與美國國家可再生能源實驗室的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果表明風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能可以通過三維數(shù)值模擬方法相對準(zhǔn)確地反映出來。黃宸武等[8,9]針對水平軸風(fēng)力機(jī)及其縮比模型,在相同雷諾數(shù)和尖速比的條件下利用CFD方法計算得到各模型的氣動性能,通過比較和分析各模型的流場信息,揭示了引起氣動性能差異的主要原因。王琦峰等[10]采用數(shù)值模擬的方法,分別使用S-A、標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε和SST k-ω四種湍流模型,對水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能進(jìn)行研究,并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比,認(rèn)為SST k-ω湍流模型可以很好地描述流場流動情況。

我們以水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對象,根據(jù)相似理論及風(fēng)力機(jī)的設(shè)計參數(shù),運用Pro/E軟件建立對應(yīng)的三維風(fēng)輪縮比模型,并運用FLUENT軟件對三維風(fēng)輪縮比模型進(jìn)行流場分析,計算不同湍流強(qiáng)度工況下的風(fēng)力機(jī)氣動性能,得到相應(yīng)的氣動性能曲線,對比分析湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)性能的影響規(guī)律。

1湍流強(qiáng)度

湍流在空氣動力學(xué)中指的是短時間(一般少于10 min)內(nèi)的風(fēng)速波動。湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個:一個是當(dāng)氣流流動時,由于地形差異(如山峰)造成的與地表的摩擦或者阻滯作用;另一個是因大氣溫度差異和空氣密度差異引起的氣流垂直流動。通常這兩種原因彼此影響[11]。

湍流是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程,可以用其統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行描述。湍流強(qiáng)度用來描述風(fēng)速隨時間變化的程度,反映脈動風(fēng)速的相對強(qiáng)度,是描述大氣湍流運動特性的最重要的特征量。湍流強(qiáng)度定義為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速偏差與平均風(fēng)速的比率,即

(1)

地表的粗糙度和高度決定湍流強(qiáng)度的大小。但是,湍流強(qiáng)度通常會受到地貌特征的影響,如丘陵和山脈,以及位于上風(fēng)向的樹和建筑等障礙物。同時,它還受大氣熱運動的影響。例如,當(dāng)氣溫升高時,接近地面的空氣會穿過大氣上升,這將引起大規(guī)模的湍流對流。

用于設(shè)計計算的湍流強(qiáng)度的確切值可以由其他的一些用于風(fēng)力機(jī)設(shè)計計算的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行規(guī)定,其縱向風(fēng)速分量標(biāo)準(zhǔn)偏差和湍流強(qiáng)度分別為

σ=I15(15+aVhub)/(a+1),

(2)

(3)

其中:I15為15 m/s風(fēng)速時計算的湍流強(qiáng)度特征值;a為斜度系數(shù);Vhub為輪轂高度平均風(fēng)速。對于較高湍流強(qiáng)度等級A,取I15=0.18,a=2;對于較低湍流強(qiáng)度等級B,取I15=0.16,a=3。

IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)下風(fēng)場湍流強(qiáng)度曲線如圖1所示。等級A的湍流強(qiáng)度曲線高于等級B的湍流強(qiáng)度曲線,風(fēng)場湍流強(qiáng)度隨著風(fēng)速的增加而減小。

2風(fēng)輪三維數(shù)值計算

2.1計算模型與網(wǎng)格劃分

選取某實驗風(fēng)場33kW兩葉片水平軸風(fēng)力機(jī)為原型建立幾何縮比模型。原型風(fēng)輪直徑為14.8 m,輪轂中心高16.1 m,切入風(fēng)速4 m/s,切出風(fēng)速為23 m/s,額定轉(zhuǎn)速為85 r/min,額定風(fēng)速為11 m/s,額定功率為33kW,葉片采用NACA4415-4430系列翼型[13]。根據(jù)相似理論,在保證模型和原型風(fēng)力機(jī)幾何相似的條件下,取模型風(fēng)輪直徑為500 mm。

流場計算域為圓柱形,圓柱半徑為4倍風(fēng)輪半徑,上游延伸6倍風(fēng)輪半徑,下游延伸10倍風(fēng)輪半徑[14]。整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格單元數(shù)為845萬,網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。

2.2計算方法和邊界條件

數(shù)值模擬采用SST k-ω湍流模型,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解近壁流動,壓力和速度耦合采用SIMPLE算法,相關(guān)變量均采用二階迎風(fēng)離散格式處理,旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多重參考系模型進(jìn)行計算。設(shè)置入口邊界條件為速度進(jìn)口,出口邊界條件為自由出流,葉片和輪轂表面均為無滑移壁面。

在設(shè)置速度進(jìn)口邊界條件時,通過給定湍流強(qiáng)度和湍流粘度比來定義流場的湍流。在現(xiàn)代低湍流度風(fēng)洞中,自由流的湍流強(qiáng)度可由風(fēng)洞的特征長度估算出來,其湍流強(qiáng)度值約為0.1%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)速在4～23 m/s之間時,風(fēng)場湍流強(qiáng)度大體處于14%～25%的范圍內(nèi),故分別取湍流強(qiáng)度為0.1%、14%、25%。在大部分外部流動的自由流邊界上,湍流粘度比的數(shù)值很小。一般情況下,湍流粘度比通常在1～10之間,故取其值為10。

3模擬結(jié)果對比分析

3.1葉片表面壓力分布

分別取來流速度為7 m/s、11 m/s、23 m/s,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為2 516 r/min,對應(yīng)的葉尖速比分別為9.41、5.98、2.86。沿葉片展向在0.2R、0.6R和0.8R處做葉片截面翼型,計算得到各截面翼型在湍流強(qiáng)度分別為0.1%、14%和25%時的壓力分布曲線,如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出,在同一來流風(fēng)速下,從0.2R～0.8R截面,各截面翼型的壓力面壓力增大且吸力面壓力減小,翼型表面壓差增大;隨著來流風(fēng)速的增加,葉片壓力面壓力增大且吸力面壓力減小,葉片表面壓差增大。當(dāng)來流風(fēng)速為7 m/s時,沿展向0.2R處截面翼型吸力面在I=0.1%下的壓力值略小于I=14%和I=25%下的壓力值,同時,I=14%下的值略小于I=25%下的值;沿展向0.6R和0.8R處截面翼型分別位于葉片中部和葉片尖部,此時三種湍流強(qiáng)度對表面壓力影響不是很明顯。當(dāng)來流風(fēng)速為11 m/s時,湍流強(qiáng)度對葉片表面壓力的影響非常明顯,I=14%和I=25%時三處截面翼型的吸力面壓力值均比I=0.1%時的大,而壓力面的壓力值基本保持一致,導(dǎo)致葉片表面壓差變小,影響風(fēng)輪出力。當(dāng)來流風(fēng)速為23m/s時,沿展向0.2R處截面翼型吸力面靠近尾緣區(qū)域的壓力存在不規(guī)律性分布,說明翼型工作在大攻角下存在劇烈的流動分離,不同湍流強(qiáng)度的來流引起的分離區(qū)內(nèi)流動比較復(fù)雜,但總體上I=0.1%時該翼型表面的壓差要大于I=14%和I=25%時的壓差。

綜上所述,湍流強(qiáng)度的變化會引起葉片表面壓力的變化,尤其在葉片根部表現(xiàn)最明顯,且在風(fēng)速為11 m/s時不同湍流強(qiáng)度對葉片表面壓力的影響最敏感。當(dāng)來流湍流強(qiáng)度增加時,截面翼型的吸力面壓力值增大,壓力面壓力值無明顯變化,翼型表面壓差減小,從而引起翼型升力的減小,降低風(fēng)輪的氣動性能。

3.2轉(zhuǎn)矩性能

圖5為湍流強(qiáng)度分別為0.1%、14%、25%時風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速變化的曲線圖,圖6為湍流強(qiáng)度分別為0.1%、14%、25%時風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比的變化曲線。

由圖5可以看出,風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速增大而增大。風(fēng)速在4～7 m/s時三種湍流強(qiáng)度下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩?zé)o明顯差異,說明在低風(fēng)速工況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩對湍流強(qiáng)度的變化并不敏感。當(dāng)風(fēng)速超過7 m/s時風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩會隨著湍流強(qiáng)度的增加而明顯減小,風(fēng)輪在高湍流強(qiáng)度I=25%時轉(zhuǎn)矩最小,這說明在中、高風(fēng)速工況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩對湍流強(qiáng)度的變化很敏感,且湍流強(qiáng)度越大,風(fēng)輪出力越小。

由圖6可以看出,風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)隨葉尖速比的增大而先增大后減小。隨著來流湍流強(qiáng)度的增加,風(fēng)能利用系數(shù)會明顯遞減。當(dāng)葉尖速比為2.86,I=25%時風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)最低,比I=14%和I=0.1%時分別低5.4%和10.9%。風(fēng)輪隨著葉尖速比的增大受到來流湍流強(qiáng)度的影響越明顯,當(dāng)葉尖速比為5.98時,風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值,此時不同湍流強(qiáng)度對風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)的影響最明顯,I=14%和I=25%時的風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)比I=0.1%時分別降低了12.4%和22.7%。

綜上所述,來流湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能影響明顯,隨著湍流強(qiáng)度的增加,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩有一定程度的降低,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率降低。

4結(jié)論

通過對水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模型進(jìn)行三維定常湍流數(shù)值模擬,對比分析風(fēng)輪分別在湍流強(qiáng)度I為0.1%、14%、25%時的氣動性能,得到以下結(jié)論:

(1)隨著來流湍流強(qiáng)度的增加,葉片吸力面壓力增大,壓力面壓力基本保持不變,導(dǎo)致葉片表面壓差減小,降低了風(fēng)輪的氣動性能,其中,葉根附近的表面壓力變化較為明顯;

(2)隨著來流湍流強(qiáng)度的增加,風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和風(fēng)能利用系數(shù)明顯減小,水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能會發(fā)生明顯的降低,高湍流強(qiáng)度I=25%時風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用性能比低湍流強(qiáng)度I=0.1%時低22.7%。

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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.

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51166009).

作者簡介:李仁年(1963-),男,甘肅民勤人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為流體機(jī)械.E-mail:fox925@yeah.net. 通訊作者:任鵬.E-mail:rp72433@163.com.

中圖分類號:TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號: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,任鵬,李德順.湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(3):44-48.]