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涡流发生器数值模型研究进展
发稿时间:2018-09-15         作者:张磊          来源:国家能源风电叶片研发(实验)中心     【字号:

  1)研究背景 

  鼓励发展风电是解决我国能源与环境问题的重要途径之一。风电叶片是直接捕获风能的关键部件,其流动状况决定了风能利用效率。在叶片效率的损失中,流动分离损失占较大比重。造成风电叶片流动分离的原因主要有:设计过程中为满足生产工艺要求,靠近叶跟的部分不能适应速度三角形的变化;机组最大转速对应的工况与额定功率工况间距较远,在接近额定风速时容易发生分离;机组运行于空气密度区域,设计额定风速无法实现满功率输出,严重条件下流动分离可达叶片长度的70%以上;风轮及传动系统的惯性及控制延迟导致机组不能适应风速的实时变化,叶片在失速与非失速间动态切换;风电叶片的设计寿命一般为20年,运行时间越长,叶片的表面状况越粗糙,发生流动分离越严重。总之,我国风资源状况复杂,台风、沙尘、低风速、高海拔等不利于机组运行的气象条件更加剧了流动分离的发生。涡流发生器是一种有效且无额外能耗流动分离控制措施,可提高机组运行效率,在航空领域已经得到成功应用。发展应用于风电机组的涡流发生器增功技术对提高机组功率增加风场的年发电量以及降低风电成本具有重要意义。 

  2)研究现状 

  在风电领域,针对涡流发生器的研究主要分为实验研究和数值模拟两个方面。 

  实验方面,国内外同行研究了涡流发生器控制风电专用翼型的流动现象、机理及流动分离控制效果。指出涡流发生器叶尖涡的产生及发展增加了边界层的动量,起到有效抑制流动边界层分离的作用。同时研究结果表面,涡流发生器自身型阻可能导致翼型总体阻力的增加。涡流发生器的这一不足促使亚边界层(或称微型)涡流发生器概念的产生及发展。此外,涡流发生器的参数及排列方式对流动控制效果的影响也是备受关注的研究内容。 

  数值模拟方面,除了分析流动机理及流动控制效果,许多研究集中在对数值模拟方法的简化上。数值模拟中涡流发生器的简化模型有:基于网格点的BAY模型(其改进型为jBAY模型)、由模仿雷诺应力获得的Johansson模型、基于流动控制方程非保守力的源项模型等。国家能源风电叶片研发(实验)中心在涡流发生器的源项模型方面提出了新思路,建立了系统研究及设计方法。 

  3)实验研究 

  风电中心对涡流发生器进行了较为系统的研究,分别与北京航空航天大学D4风洞、中科院工程热物理研究所IET-Wind 0.5×0.5 风洞、华北电力大学风洞(二元段1.5m×3m)进行的流动可控条件下的风洞实验。此外,本中心100kW风电机组实验台上进行了自然条件下的现场实验。如图2及图3所示。研究结果表明涡流发生器可以有效提高现代变速变桨型风电机组的年发电量。年平均风速为6 m/s时,年发电量提高可超过2.5% 

  4)数值研究 

  为了提高计算效率,风电中心发展了一种源项模型,如图4所示。流体经过源项区域时将获得真实涡流发生器所产生的环量。经过推导,其流动控制方程的变化如图5所示。为了验证模型的准确性,假设了一种理想平板流动,忽略壁面粘性的影响,并认为流动为湍流充分发展状态,模拟结果与源项模型的理论结果对比如图6所示。源项模型在流动的三个方向上与实际涡流发生器诱导的流场特性吻合很好。基于该模型,建立了涡流发生器的设计方法,并进行了风场验证。 

  5)应用研究 

   流动控制附件的技术成熟度高、对机组影响小、风险低、施工周期短,受市场欢迎。在风场实际增功技术中,单独使用一种流动控制附件的效果有限,一般与其它流动控制附件配合使用,总体提高整个机组的年发电量。将其与绕流板及格尼襟翼同时优化设计,安装于1.5MW机组上,其效果如图7所示。安装流动控制附件后,机组的功率特性提升非常明显。 

 

  1 叶片表面极限流线 

     

  2 涡流发生器风洞测试过程 

 

  3 涡流发生器现场测试 

   

  4 动量定理 

 

  5 三维源项模型控制方程 

 

  6 涡流发生器源项模型与实体模拟结果对比 

 

  7 安装流动控制附件(含涡流发生器)后机组功率特性的变化 

 
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