李杰， 鐘賢和， 李松林， 黃樹根

（東方電氣風(fēng)電有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

渦流發(fā)生器 （vortex generator， 簡(jiǎn)稱 VG）是以某一攻角垂直布置在風(fēng)力機(jī)葉片表面的小展弦比翼型， 因翼型兩側(cè)壓力差產(chǎn)生翼尖渦， 促進(jìn)邊界層外高動(dòng)能流體與邊界層內(nèi)低動(dòng)能流體的摻混，增加邊界層內(nèi)流體的動(dòng)量和能量， 降低邊界層的厚度， 抑制展向流動(dòng)， 達(dá)到流動(dòng)控制的目的， 從而使湍流邊界層的分離推遲或消除， 最終達(dá)到使翼型增升減阻的效果。 國內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)VG 展開研究， 劉剛等通過數(shù)值模擬的方法， 探究了渦流發(fā)生器的形狀、 排列方式和幾何尺寸對(duì)翼型流動(dòng)分離的影響， 進(jìn)而得出了對(duì)超臨界機(jī)翼氣動(dòng)性能的影響規(guī)律； Nickerson 等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法， 研究了大型風(fēng)力機(jī)葉片加裝VG 后升阻力特性的變化， 驗(yàn)證了 Vs 提高升阻比的目的；Johansen 等通過數(shù)值模擬的方法， 在對(duì)稱邊界及周期性邊界條件下分析了加裝VG 的風(fēng)輪葉片的性能變化； 張磊等對(duì)安裝VG 的翼型段進(jìn)行了數(shù)值模擬， 得到了與實(shí)驗(yàn)值較吻合的結(jié)果， 進(jìn)一步驗(yàn)證在較大攻角下， VG 能夠抑制邊界層的分離。

上述學(xué)者對(duì)VG 的研究大都基于數(shù)值模擬或風(fēng)洞試驗(yàn)的方法， 并未在真實(shí)風(fēng)機(jī)葉片上安裝VG進(jìn)行驗(yàn)證。 基于此， 本文采用CFD 方法， 針對(duì)某葉片展開VG 設(shè)計(jì)， 分析其對(duì)葉片截面升阻力系數(shù)影響， 并將VG 安裝于真實(shí)葉片上并在風(fēng)場(chǎng)開展測(cè)試， 通過理論數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比， 已驗(yàn)證VG 的實(shí)際效果， 為VG 的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 CFD 分析方法

論文針對(duì)某4 MW-70 m 級(jí)葉片開展VG 仿真分析與設(shè)計(jì)， 圖1 為該葉片葉根處相對(duì)厚度為40%、 50%、 60%、 70%的翼型段。 VG 模型如圖 2所示， 并用部分特征參數(shù)進(jìn)行表征。

圖1 40%、 50%、 60%、 70%厚度的翼型段

圖2 渦流發(fā)生器示意圖

本文采用C-H 網(wǎng)格方法， 計(jì)算域60 倍弦長(zhǎng)。計(jì)算模型的出口條件為遠(yuǎn)端壓力場(chǎng)， 通常為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓； 前端邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口條件； 遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件， 設(shè)為壓力出口， 大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓； 壁面條件， 將翼型做壁面處理， 通過計(jì)算翼型上下表面的受力分布來計(jì)算升阻力大小以及旋轉(zhuǎn)力矩。 處理后的CFD 模型如圖3 所示。

圖3 翼型數(shù)值模擬C-H 網(wǎng)格示意圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

論文分別計(jì)算了葉根翼型在有無VG 下的氣動(dòng)特性， 結(jié)果如圖 4-5 所示。 其中“sm”表示光滑翼型， “vg-25”表示 vg 安裝在弦向 25%位置， “h=20”表示渦流發(fā)生器高度為20 mm。

圖4 40%翼型有無VG 氣動(dòng)性能對(duì)比

從圖4 可以看出， 40%厚度的翼型， 安裝渦流發(fā)生器后， 升力系數(shù)增大， 阻力系數(shù)先增加后減小， 升阻比先減小后增大， 在運(yùn)行攻角下降低。從圖5 可以看出， 50%厚度的翼型， 在弦向合理位置安裝渦流發(fā)生器后， 升力系數(shù)增大， 阻力系數(shù)減小， 升阻比在運(yùn)行攻角下升高。 60%和70%厚度的翼型也存在于50%翼型相同的規(guī)律。 綜上所述， 翼型相對(duì)厚度越小， 安裝20 mm 高度的渦流發(fā)生器導(dǎo)致升阻比降低。

圖5 50%翼型有無VG 氣動(dòng)性能對(duì)比

為了說明渦流發(fā)生器對(duì)翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)的影響，以60%翼型為例， 分析流場(chǎng)特性， 詳見圖6-7。從圖6 的流線圖可以看出， 60%翼型在16°攻角下翼型尾緣30%范圍內(nèi)出現(xiàn)了流動(dòng)分離安裝VG 后分離區(qū)面積減小。 從圖7 的流線圖可以看出， 該翼型在28°時(shí)分離區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大， 流動(dòng)分離現(xiàn)象更加明顯， 翼型尾緣50%以上出現(xiàn)了流動(dòng)分離， 而在安裝VG 后分離區(qū)面積明顯減小。 這說明， 對(duì)較大分離的情況下， 渦流發(fā)生器抑制分離的效果更明顯， 渦流發(fā)生器使分離位置延后。

圖6 a=16°流場(chǎng)

圖7 a=28°流場(chǎng)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)CFD 計(jì)算結(jié)果， 選取性能最好的安裝位置， 某 4 MW-70 m 級(jí)葉片VG 布置位置見表 1，其中相對(duì)厚度70%、 60%和50%的位置安裝兩排VG， 45%厚度位置安裝一排VG， VG 生產(chǎn)完成后在葉片生產(chǎn)工廠進(jìn)行安裝， 安裝VG 的葉片如圖8所示。

表1 VG 在葉片上定位

圖8 安裝VG 的風(fēng)電葉片

功率曲線是評(píng)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)之一， 功率特性測(cè)量作為評(píng)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能和推算機(jī)組年發(fā)電量的主要技術(shù)手段。 根據(jù)IEC6 1400-12-1 中關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)量方法的相關(guān)規(guī)定， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)量的主要工作包括測(cè)試場(chǎng)地的選取與評(píng)定、 測(cè)試傳感器的選取、 測(cè)風(fēng)塔的建立、 測(cè)試設(shè)備安裝與數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試數(shù)據(jù)的后處理等內(nèi)容。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)量過程中， 主要使用兩類傳感器： 一是電參數(shù)測(cè)量設(shè)備； 二是氣象參數(shù)測(cè)量設(shè)備。 主要設(shè)備清單見表2， 功率測(cè)試系統(tǒng)如圖9 所示。

表2 測(cè)試系統(tǒng)主要設(shè)備清單

圖9 功率測(cè)試系統(tǒng)組成

運(yùn)用已搭建的功率測(cè)試系統(tǒng)， 在某試驗(yàn)基地對(duì)帶有VG 的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行功率測(cè)試， 并將風(fēng)資源數(shù)據(jù)作為輸入條件， 進(jìn)行仿真分析。 測(cè)試與仿真對(duì)比如圖10 所示， 詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。 通過對(duì)比可知， 理論仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合程度較好， 盡管6 m/s、 8 m/s 和 9 m/s 時(shí)， 測(cè)試值超過仿真值 1%，但從整個(gè)風(fēng)速變化條件考慮， 仿真與測(cè)試平均偏差為0.4%左右， 驗(yàn)證了仿真分析方法是正確的。

圖10 安裝VG 的風(fēng)電葉片仿值結(jié)果

表3 帶VG 風(fēng)力機(jī)測(cè)試功率與仿真對(duì)比

在相同的輸入條件下， 對(duì)不帶VG 的葉片進(jìn)行CFD 仿真分析， 由于該機(jī)組功率等級(jí)為4 MW，當(dāng)機(jī)組功率快達(dá)到4 MW 時(shí)， 機(jī)組要執(zhí)行變槳限功率， 因此只對(duì)比變槳前的計(jì)算結(jié)果， 見表4， 通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 葉片安裝VG 后， 發(fā)電功率均有提升， 在風(fēng)速為 6 m/s 時(shí)， 提升量最大， 達(dá) 2.2%。

表4 動(dòng)態(tài)功率對(duì)比表

4 結(jié)論

（1）采用CFD 軟件對(duì)葉片葉根翼型有VG 的情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算， 結(jié)果表明： VG 對(duì)翼型具有增大失速裕度， 提高翼型失速后的升阻比的作用。

（2）葉根區(qū)域翼型相對(duì)厚度較大， 氣動(dòng)分離明顯， 加裝VG 能有效的抑制氣動(dòng)分離。

（3）葉片加裝渦流發(fā)生器后， 風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論仿真數(shù)據(jù)吻合， 驗(yàn)證仿真方法正確。

（4）再次對(duì)相同條件下對(duì)不帶VG 葉片進(jìn)行仿真分析， 其結(jié)果表明， 在全風(fēng)速條件下， 帶VG的葉片將有助于提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率， 特別時(shí)在6 m/s 時(shí)， 效果最好， 提升功率達(dá)2.2%。