安装涡流发生器的风电机组气动性能的仿真分析

易礼毅，凡 盛，胡杰桦，梁鹏程，冯学斌，詹佳普

(株洲时代新材料科技股份有限公司，株洲 412007)

0 引言

风电机组的运行环境复杂，其发电性能受到各种各样的自然因素影响，基于稳态均匀流场的动量-叶素理论在风电机组叶片设计中发挥了重要作用。在风电机组单机大兆瓦、大风轮直径的条件下，采用基于动量-叶素理论开发的软件(例如风电机组设计分析的行业标准软件包GH-Bladed)计算风电机组气动性能时得到的计算结果还需要进行大量的验证工作[1]，因此，以计算流体力学(CFD)作为辅助的气动性能验证工具被广泛应用于风电机组叶片设计中。

传统风电机组叶片的设计使用薄翼型相对较多，随着风电机组叶片长度和单机容量的增加，风电机组荷载变大，对叶片设计的强度性能、刚度性能和重量提出了更高要求。在碳达峰、碳中和目标的驱动下，风电机组叶片的设计也面临着降本的要求，需要采用轻量化设计方案。因此，为了同时满足大功率和轻量化的条件，针对风电机组叶片的设计，目前行业中已大量使用大厚度翼型来改善叶片的结构强度。但是大厚度翼型的失速性能比较差，且该翼型在叶根区域的攻角变化范围大，因此改善叶根区域大厚度翼型的失速性能可以改善风电机组的发电性能。安装涡流发生器(vortex generator，VG)是有效控制流动分离的方法，因此开展安装涡流发生器的风电机组气动性能的研究具有重要意义。

涡流发生器最初广泛应用于航空领域，随着其技术发展成熟，在风电机组叶片领域得到了推广应用。在风电机组叶片表面安装涡流发生器，可以认为是在叶片的气动面上增加了小翼，由于其展弦比小，因此能够产生比较强的翼尖涡。在叶片表面涡流发生器和叶片后缘之间的区域，高能量的翼尖涡可将能量传递给边界层，使该区域处于逆压梯度中的边界层气流获得附加能量后能够继续贴附在叶片表面，不发生分离，从而可提高风电机组的气动性能，最终可增加风电机组的发电效率[2-4]。Miller等[5]在安装有涡流发生器的风电机组叶片上开展了大量现场测试，通过测试证实了涡流发生器可以提高风电机组的气动效率。国内也开展了大量的研究工作，将涡流发生器应用于实际风电场，验证涡流发生器在风电机组叶片上的应用效果[6]。涡流发生器的几何参数，以及其在叶片表面的弦向和展向的安装位置，能够显著影响风电机组的气动性能。何政洋[7]采用数值模拟的方法研究了涡流发生器参数对风电机组气动性能的影响；薛丁云[8]分析了涡流发生器的弦向安装位置、高度、间距等参数，以及双列涡流发生器对风电机组气动性能的影响，同时也开展了风洞测试，提出了对涡流发生器工程应用的建议。

本文采用CFD仿真分析方法，使用流体仿真软件Star CCM+建立某型号风电机组的仿真分析模型，将CFD仿真结果与通用风电机组仿真软件GH-Bladed的计算结果进行了对比分析，以验证CFD仿真分析方法的准确性；然后对该风电机组叶片安装涡流发生器前、后的气动性能进行了仿真分析，并对叶片变桨前典型工况下安装和未安装涡流发生器的风轮轴功率进行了对比。

1 风电机组模型说明

本文研究的某型号风电机组的风轮直径约为150 m，塔筒高度约为100 m，其三维模型示意图如图1所示。计算和仿真分析模型的外部条件统一设置为：空气密度为1.225 kg/m3，空气粘度为1.82×10-5kg/(m·s)。

图1 某型号风电机组的三维模型示意图Fig. 1 Diagram of three dimensional model of a wind turbine

2 建立仿真分析模型

2.1 仿真分析的典型工况

通过采用风电机组设计分析的行业标准软件包GH-Bladed，可以计算得到该型号风电机组在叶片变桨前，风速与风轮转速的对应关系，具体如表1所示。选取表1中的风速和风轮转速作为本文CFD仿真分析的典型工况。

表1 在叶片变桨前风速与风轮转速的对应关系Table 1 Corresponding relationship between wind speed and wind wheel speed before blade pitch

2.2 湍流模型的选择

本研究针对风电机组同一运行条件进行CFD仿真分析，分别选用湍流模型k-w和k-e进行计算。采用不同湍流模型时风轮转矩的计算结果对比如图2所示。

从图2可以看出：分别采用k-w湍流模型和k-e湍流模型得到的收敛曲线基本一致，二者得到的风轮转矩的计算结果偏差较小，相对误差为0.04%。本文仿真模型选用k-e湍流模型。

图2 采用不同湍流模型时风轮转矩的计算结果对比Fig. 2 Comparison of calculation results of wind wheel torque with different turbulence models

2.3 网格划分

风电机组叶片和机舱罩、塔筒、地面之间有相对旋转运动，采用瞬态滑移网格方法，将整个流场分为叶片旋转区域和周围静止区域，二者之间通过交界面进行数据传递。考虑风电机组各部件的尺寸特点和流场中速度、压力梯度的变化，在叶片尺寸较小的尾缘和弯曲的前缘，都需要较小尺寸的网格来保持叶片的几何特征；在叶片附近的流场空间也需要较小的网格尺寸，来准确捕捉气流的变化，以及流动状态对叶片表面压力的影响。采用多层加密的方式来提高网格质量，流场剖面的网格分布示意图如图3所示。

图3 流场剖面的网格分布示意图Fig. 3 Schematic diagram of grid distribution of flow field profile

从图3可以看到：流场的网格尺寸及密度分布比较合理。

对于叶片表面安装涡流发生器的区域，也需进一步加密。考虑到涡流发生器的厚度仅为2 mm，因此叶片表面安装涡流发生器区域的局部网格尺寸相应设置为0.2 mm。叶片表面安装涡流发生器区域的网格分布示意图如图4所示。

图4 叶片表面安装涡流发生器区域的网格分布示意图Fig. 4 Schematic diagram of grid distribution of VG area installed on blade surface

考虑到网格尺寸大小对计算结果可能造成的影响，分别设置不同的网格大小对流场进行网格划分，网格的基础尺寸按照4:2:1的比例设置，以验证计算结果的网格相关性。最终可得到3套不同网格密度的模型，网格数量分别为1600万、3100万和5200万。计算在6 m/s风速下不同网格密度的风轮轴功率，具体结果如表2所示。

表2 6 m/s风速下不同网格密度的风轮轴功率计算结果Table 2 Calculation results of wind wheel shaft power with different grid densities at 6 m/s wind speed

从表2可以看出：模型3与模型1的风轮轴功率偏差为-2.6%，相对较大；模型2与模型1的风轮轴功率偏差为-0.4%，基本一致。采用模型2的网格尺寸设置可以在计算资源和计算精度之间达到很好的平衡，因此，本文后续计算均采用模型2的网格设置。

2.4 求解设置

综合考虑求解效率及精确度，本次仿真的时间步长取0.05 s，内迭代步数为5，物理时间设置为400 s。

3 结果分析

3.1 CFD仿真分析方法验证

对于未安装涡流发生器的风电机组仿真模型，分别采用GH-Bladed和CFD仿真这2种分析方法计算典型工况下的风轮轴功率，可以得到2种分析方法的计算结果偏差，具体如表3所示。

表3 未安装涡流发生器时典型工况下的风轮轴功率对比Table 3 Comparison of wind wheel shaft power under typical working conditions without VG

从表3可以看出：CFD仿真结果与GHBladed计算结果高度吻合，二者得到的风轮轴功率的最大偏差为-0.66%。

综上可以得出结论：CFD仿真模型中的边界条件、网格尺寸、物理模型、求解等相关设置的计算结果均可以满足计算精度要求，从而验证了CFD仿真分析方法可以比较准确地计算风电机组的气动性能。

根据以上分析，可以将同样的边界条件、网格尺寸、物理模型、求解等相关设置应用于安装有涡流发生器的风电机组仿真模型的设置。

3.2 安装涡流发生器对风电机组气动性能的影响

采用CFD仿真分析方法，对涡流发生器安装前、后的风轮轴功率进行仿真，对比结果如表4所示。

表4 涡流发生器安装前、后风轮轴功率的CFD仿真结果对比Table 4 Comparison of CFD simulation results of wind wheel shaft power before and after VG installation

从表4可以看出：在较低风速(风速为3～5 m/s)下，涡流发生器对风轮轴功率影响较小；在较高风速(风速为6～8 m/s)下，涡流发生器可以较为明显地提升风轮轴功率，且在风速为8 m/s时，风轮轴功率可以提升1.94%，从而对风电机组发电量的改善也较为可观。

当风速为8 m/s时，在展向为5 m的相同位置，安装和未安装涡流发生器的风电机组叶片表面的局部流线图对比如图5所示。

图5 安装和未安装涡流发生器的风电机组叶片表面的局部流线图对比Fig. 5 Comparison of local streamline diagram of wind turbine blade surface with and without VG

通过图5的对比可以很明显发现：气流通过安装有涡流发生器的风电机组叶片表面时，流线可以相对更好地附着在叶片表面，从而延缓了流动分离。

4 结论

本文采用CFD仿真分析方法对某型号风电机组叶片安装涡流发生器前、后的气动性能进行了仿真分析，并对叶片变桨前典型工况下的风轮轴功率进行了对比，可以得出以下结论：

1)使用CFD仿真分析方法得到的结果和GH-Bladed的计算结果基本吻合，证明CFD仿真分析方法可以比较准确地计算风电机组的风轮轴功率，从而为风电机组叶片的设计提供参考。

2) CFD仿真分析方法作为评价风电机组气动性能的一种有效手段，可以在设计阶段验证风电机组的发电性能是否符合预期。

3)涡流发生器可以明显改善风电机组叶片的失速现象，提升风电机组的气动性能，从而提高其发电效率，增加其年发电量；特别是对于风速较高、风轮转速较大的环境，安装涡流发生器可以使风轮轴功率提高1.94%，提升效果更为显著。因此，在风电机组叶片表面安装涡流发生器的方式可以在实际工程应用中进行推广。