风电叶片除冰改造表面走线对气动性能影响研究

陈威 杨建军 肖智龙 朱加凯

摘 要：为了研究风电叶片后期加热除冰改造過程中从叶片表面走线对叶片气动性能的影响，该文基于NACA4412翼型，使用二维计算仿真的方式模拟了在翼型表面不同位置走线方式对翼型气动性能的影响。先用Profili导出的翼型几何数据和升阻扭力系数等基础数据，再使用ANSYS-FLUENT进行仿真计算，将计算结果与Profili结果进行对比，验证所建翼型计算模型；修改几何数据，建立凸点，使用建立的仿真模型对含凸点的翼型进行计算。结果表明：风电叶片后期加热除冰改造从吸力侧近后缘走线对翼型气动性能影响最小，从前缘走线影响最大。

关键词：风电 叶片 除冰 翼型 仿真

中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（c）-0089-04

Abstract： For study aerodynamic of wind power blade which has power line on its surface to dicing by electric heating， Based on airfoil of NACA4412， effect of lying power line on surface of blade was simulated. Profili was used to export geometry、lift coefficient、drag coefficient and pitch coefficient， ICEM was used to compute grid， ANSYS-FLUENT was used to simulate. The result of simulation was used to compare with Profili data to verify the module. The verified module was used to simulate the convex which cause by power line. The results show that lying power line of heating deicing on suction side has least influence on aerodynamic of airfoil， and lying on lead has greatest influence.

Key Words： Wing turbine； Blade； Deicing； Airfoil； Simulation

随着化石能源日益枯竭及其带来的污染，人们越来越重视环保型的可再生能源，而风力发电因其单位功率合理，绝对的零污染等优点正成为新能源演进的重要趋势[1]。目前三叶片垂直风机是风电行业主流，叶片在低温、高湿环境下转动，其表面易结冰[2]，从而造成叶片气动外形、载荷的改变，进而降低机组发电量及运转的安全性[3，4]。

由于风电行业前几年的爆炸式迈进，前期各整机厂及叶片厂对叶片结冰没有足够重视，没有在前期设计中将抗结冰、除冰纳入考虑。目前主流的抗结冰、除冰方式有贴膜、叶片内部空气加热、叶片表面贴加热膜[5]及更该机组控制策略；从目前实践中，叶片表面加热除冰是最高效及安全的。

主要研究目前主流的叶片表面加热除冰后期改造中，加热电源及传感器线从叶片表面走线对叶片气动性能带来的影响；基于BEM理论[6]，只需考虑单个翼型的气动性能影响即可直接判断不同走线位置对叶片整体气动性能影响，即单独研究翼型升力系数（Cl）、阻力系数（Cd）及扭力系数（Cm）。

1 模型建立

选取了NACA4412翼型为研究对象，使用Profili软件[7]导出翼型几何数据和其Cl、Cd及Cm；使用ANSYS-ICEM对几何模型进行C型网格划分，将翼型整体放置于远扬压力场（Pressure-far-field）中，翼型设置为wall。

所使用的湍流模型为S-A（Spalar-Allmaras）[8]，该模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚流动，而且已经显示出很好的效果。在热工机械中的应用也愈加广泛。S-A模型的偏微方程如下。

式中，Gν是湍流粘度生成的，Yν是被湍流粘度消去，发生在近壁区域。Sρ是用户定义的。气体density设置为ideal-gas，Visconsity设置为power-law。

2 模型验证

为了验证所建模型的正确性，首先模拟了-8°～13°，步进0.5°（附着区[9]）攻角情况下翼型的Cl、Cp及Cm，雷诺数Re=2.3E+6，马赫数Ma=0.1；将模拟结果与Profili进行比较，比较结果如图1所示。

由数据比较发现，所建立的二维翼型气动仿真模型在Cl、Cd及Cm计算结果上与Profili导出结果基本吻合，所有数据点误差均不超过0.2，该模型可用于翼型气动仿真。

3 后缘走线翼型仿真

叶片走线，其高宽比为0.15，位于PS靠近后缘位置；另外还有从SS面靠近后缘走线及前缘中心走线方案。

物理模型基于NACA4412翼型，15.02%相对厚度，将PS/SS面走线在翼型表面定为距前缘距离相对弦长95%，前缘走线位于前缘中心，高度相弦长为0.2%，从最高点平滑过渡至翼型表面，高宽比为0.15。

4 结果与讨论

4.1 前缘走线影响

图2、图3、图4分别对比了在前缘位置有无走线时其对Cl、Cd及Cm的变化，从这3幅图中可以看出，前缘走线方式会对翼型气动性能产生影响，但其影响幅值较小。

4.2 PS面近后缘走线影响

图5、图6、图7分别对比了在PS面近后缘位置有无走线时其对Cl、Cd及Cm的变化，从这3幅图中可以看出，PS面近后缘走线方式会对翼型气动性能产生影响，但其影响幅值较小。

4.3 SS面近后缘走线影响

图8、图9、图10分别对比了在SS面近后缘位置有无走线时其对Cl、Cd及Cm的变化，从这3幅图中可以看出，SS面近后缘走线方式会对翼型气动性能产生影响，但其影响幅值亦较小。

4.4 讨论

表1描述了从前缘、PS面及SS面三处走线方式产生的气动性能差值的累计值（-8°～13°，步进0.5°），从表中可以看出就升力系数而言，在SS侧走线对气动影响最小，这是因为升力系数主要来源于上下表面压力差，在附着流区PS面压力大于SS面压力，走线设置于前缘时当攻角增大其走线位置逐渐向下压面移动，从而造成下压面压力相对降低从而导致上下面压力差降低，即升力系数降低，如图8所示；走线位置设置于PS面时，PS面压力始终略低于低于无走线情况，而走线设置于SS面时，由于未对压力侧气压产生影响故而对升力系数影响较小。

从阻力系数方面考虑，亦是在SS侧走线对气动影响最小；且3种走线方式累计值均很小，这是因为在附着流区，翼型阻力主要为摩擦阻力。

而从俯仰力矩系数考虑，PS面走线方式对气动影响最小。

5 结论

针对目前在役叶片后期除冰改造表面3种走线方式对叶片气动性能的影响进行了研究，基于叶素理论[6]使用NACA4412二维翼型模拟了3种不同走线在叶片表面引起的外形改变后的气动变化，从而得出三种走线方式对叶片气动效率的影响，得出以下结论。

（1）就叶片发电效率而言，从SS侧近后缘位置走线对叶片影响最小。

（2）对于叶片俯仰力矩来说，从PS面近后缘位置走线最佳。

（3）综合考虑叶片各项气动参数，不建议从叶片前缘走线。

参考文献

[1] 吕金鹏.风力发电的发展状况与发展趋势[J].魅力中国，2018（2）：113.

[2] 张慧.地域、季节和气候对风力发电设备的影响[J].太阳能，2006（4）：45.

[3] 王聪，黄洁亭，张勇，等.风电机组叶片结冰研究现状与进展[J].电力建设，2014，35（2）：70-75.

[4] 孙少华，徐洪雷，符鹏程，等.叶片覆冰对风电机组的影响[J].风能，2014（9）：100-103.

[5] 程庆阳，乔志强，杨建军，等.风力发电机的叶片除冰控制方法、装置及除冰系统，北京：CN107781121A[P].2018-03-09.

[6] 田德，蒋剑峰，邓英，等.基于动量叶素理论改进的叶片气动特性计算方法[J].风能，2013（11）：88-92.

[7] 劉丽娜，吴国新.Profili与Fluent环境下风力机翼型气动性模拟设计[J].北京信息科技大学学报：自然科学版，2014，29（1）：68-70，76.

[8] 查健锐，杨殷创，钱燕.基于Fluent的多翼型低速气动特性比较[J].合肥师范学院学报，2014，32（6）：38-42，45.

[9] 陈进.风力机翼型及叶片优化设计理论[M].北京：科学出版社，2013.