提高風力機合理性布置和風電場經(jīng)濟性的最新方法
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隨著風電技術(shù)的日漸成熟，風力發(fā)電機的單機容量也隨著增大，必然導致風力機的大型化。風經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風力機后發(fā)生動量損失、風速減小和湍流度增強。在風電場中，一些風力機處于上游風力機的尾跡當中，風經(jīng)過上游風力機之后，風速的減小與湍流度的增強必然對下游風力機的功率輸出、結(jié)構(gòu)性能和疲勞載荷產(chǎn)生很大的影響�？梢�，開展風力機的尾跡流場特性分析研究必定會對改善風力機性能、提高風能利用效率、合理布置風力機起到非常重要的作用。
風力機尾跡研究的空氣動力學理論主要可分為葉素理論(BEM)和渦流理論兩大類。在此基礎(chǔ)上．許多學者展開了尾跡特性研究。G Crasto對風力機匡跡進行簡單假設(shè)，用圓盤代替風輪，即制動盤概念，這樣可以在高風速和寬區(qū)域條件下更好地預測風力機功率的輸出。201 1年10月由NowiteNorcowe在挪威卑爾根市共同組織了有關(guān)風力機尾跡的“盲測”研討會，對不同尾跡模型的優(yōu)缺點進行了分析研究。隨著計算機的發(fā)展，當前CFD是流行的流體力學分析技術(shù)，它克服了實驗測量和理論分析的成本高、耗時長的缺點。Bartheleme數(shù)值模擬分析了Horns Rev大型近海風電場的風力機尾跡分布。Carlo運用CFD-RANS分析風力機氣動性能，運用風力機葉素理論對單機風場流場氣動性能及尾流現(xiàn)象進行全面的研究。Alexandros Makridis數(shù)值模擬復雜地形上兩并列機組流場分布并比較RSM模型與SST模型的計算結(jié)果。田琳琳和李少華采用FLUENT軟件對置于有限面積的風電場內(nèi)的多臺風力機尾流相互干擾情況進行數(shù)值模擬，分析了單機與多機情況下風力機尾跡情況。
工作狀態(tài)下的風力機會在風的作用下發(fā)生變形，同時這變形和運動又會反過來影響風的運動，從而改變風載荷的分布和大小。本文以NREL 5 MW風力機為例，采用ANSYS中System Coupling為數(shù)據(jù)交換平臺連接FLUENT與Transient Structural兩模塊，對風力機與風場進行雙向流同耦合。分別在耦合與未耦合兩種情況下，針對風力機下游近尾跡和遠尾跡兩個方面進行分析，近尾跡著重研究流固耦合對風力機功率輸出及軸向推力的影響，風力機遠尾跡重點分析速度分布及湍流分布，從而更好地分析風電場機組之間的優(yōu)化布置。
1雙向流固耦合理論
1.1流體控制方程
假設(shè)流體是連續(xù)的、均質(zhì)不可壓縮的各向同性牛頓流體，流體質(zhì)點在每一瞬時處于準熱平衡態(tài)。流體運動的基本方程如下。連續(xù)性方程：
式中：P為流體密度；u為平均速度；x為位置矢量；u為粘性系數(shù)。
Navier-Stokes方程：
式中：V為流體速度；P為流體壓力：Fb流體所受外力；k為流體運動粘性系數(shù)。
流體的邊界條件：在流體和固體的分界面上，流體壁面的變化和固體壁面變化相一致，初始條件是定常流動，取均勻流場為初場。
1.2固體控制方程
當外力作用在彈性體上，假設(shè)變形情況已知，則力的平衡方程為
2計算模型
2.1物理模型
采用美國可再生能源實驗室的NREL 5 MW風力機，該風力機是1臺3葉片、上風向，采用變速變槳的功率控制方式，具有代表性和實際應用意義的風力機。該風力機葉片各個截面幾何參數(shù)見表1，葉片三維效果見圖1。
2.2數(shù)值模型
本文將NREL5 MW風力機的葉輪作為研究對象，為了便于構(gòu)建六面體網(wǎng)格，將輪轂簡化為三角形，如圖2所示。采用圓柱形流場，直徑為300m．入口距葉輪245 m，出口距葉輪1260 m，旋轉(zhuǎn)域直徑為70m，如圖3所示。
3數(shù)值計算方法
采用ANSYS14.0商業(yè)軟件，通過FLUENT與ANSYS MECHANICAL在System Coupling進行數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)雙向流固耦合，見圖4。
3.1 FLUENT數(shù)值方法
3.1.1網(wǎng)格劃分
通過ICEM進行計算域分塊和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，外圍流場區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
旋轉(zhuǎn)區(qū)域進行分塊處理，采用3個長方體區(qū)域包含3個葉片，從葉根到葉尖構(gòu)建H型網(wǎng)格，由于葉片表面扭曲復雜，葉片周圍需要采用size fuction函數(shù)進行網(wǎng)格加密，垂直于葉片表面方向，從葉片表面至內(nèi)區(qū)域邊界的網(wǎng)格數(shù)為30個，為了滿足y+要求，第一層網(wǎng)格距葉片表面的距離為1mm，網(wǎng)格增長比率為1.2，葉片截面翼型的節(jié)點數(shù)為120個，根據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成規(guī)則構(gòu)建六面體網(wǎng)格，如圖6所示，網(wǎng)格總數(shù)約為300萬。
3.1.2數(shù)值計算方法和邊界條件
由于風力機的尾跡會傳至下游引起流動不穩(wěn)定性，是一種非穩(wěn)態(tài)，故本文基于Navier-Stocks方程和RNGk-E湍流模型�？紤]葉片的旋轉(zhuǎn)效應，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)對NREL 5 MW風力機進行數(shù)值模擬，壓力-速度耦合采用Simple算法，對流項差分格式采用二階迎風格式控制方程：
式中：
為通用變量；
為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。
式中：k和E分別為湍動能及其耗散率；Gk和Gb分別為平均速度梯度和浮力所產(chǎn)生的湍動能；Ym為湍流脈動膨脹對總耗散率的貢獻；aK和aE分別為湍動能及耗散率普朗特Prandtl數(shù)的倒數(shù)；C1e，C2E和C3E分別為模型默認常數(shù)；Sk,SE和RE分別
為用戶自定義項。
FLUENT數(shù)值計算的邊界條件：人口設(shè)為速度人口，速度為u=11.4 m/s：出口設(shè)為自由出流outflow：外圍流場區(qū)域設(shè)為靜止wall,旋轉(zhuǎn)區(qū)域邊界為interface，旋轉(zhuǎn)域流場設(shè)為Moving Mesh，旋轉(zhuǎn)速度為W=12.1 r/s：葉片設(shè)為Wall，壁面速度相對于鄰近的網(wǎng)格運動設(shè)為零，即壁面無滑移。
3.2 ANSYS MECHANICAL數(shù)值方法
由于流固耦合是瞬態(tài)的，故采用ANSY-WORKBENCH中Transient Structural模塊進行結(jié)構(gòu)分析。NREL 5 MW風力機葉片采用450鋪層各向異性玻璃纖維環(huán)氧樹脂復合材料模型和根部至頂部厚度（根部80 mm向尖部20 mm）漸變的殼結(jié)構(gòu)方式 。其力學性能列于表2，其中：E1為垂直纖維方向彈性模量、E2為沿纖維方向彈性模量、G12為剪切模量、O12為泊松比。葉輪網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)，如圖7所示，葉根與輪轂處設(shè)為全約束。
3.3雙向流固耦合系統(tǒng)
System Coupling模塊為實現(xiàn)流場和結(jié)構(gòu)場的雙向流固耦合提供了平臺，將旋轉(zhuǎn)域與葉片壁面接觸的重合面設(shè)為流固耦合面，設(shè)立耦合時間，本文葉輪旋轉(zhuǎn)周期為5s．物理時間步長對應轉(zhuǎn)角20（約0.028 s），采用順序求解方式依次解流體計算域和同體計算域，其中流固耦合的數(shù)據(jù)傳遞是通過流場耦合面與固體耦合面上的網(wǎng)格相互映射實現(xiàn)的。
4計算結(jié)果與分析
4.1流固耦合對風力機近尾跡的影響分析
風場繞流葉片時，同時會受到葉片的反作用，氣流的角動量增大，因此風力機尾跡區(qū)域的氣流在向下游的流動過程中會旋轉(zhuǎn)前行，運襄軌跡呈螺旋線（圖8）�；陲L力機額定工況（額定風速V為11.4 m/s，額定轉(zhuǎn)速W為12.1 r/min）．采用圓柱坐標系（如圖2所示，圖2中表示出了
，r所以是圓柱坐標），x表示風輪下游尾跡區(qū)的軸向位置．風輪逆時針旋轉(zhuǎn)，順時針方向為
的正方向，r為尾跡區(qū)流場的徑向方向，D為風輪直徑。
圖9給出了風力機近尾跡區(qū)流場在未耦合與耦合情況下速度分布，可以看出在葉片動力區(qū)存在高強度的湍流，這表明在葉片尾緣處會產(chǎn)生致使葉片疲勞的高頻載荷。風力機在耦合情況下葉片發(fā)生了明顯的變形，（具體的葉片結(jié)構(gòu)方面的變形情況），說明流固耦合對風力機的功率輸出及風機性能是有一定影響的。
參照NREL 5 MW風力機設(shè)計值，本文研究來流風速為3，5，11.4，15，20，25 m/s 6種工況，得出在6種不同工況下未耦合與耦合情況下的風力機功率輸出值及軸向推力。圖10給出了風力機功率值和軸向推力與理論設(shè)計值的對比曲線。
由圖10可以明顯看出，數(shù)值模擬的功率輸出值和軸向推力均小于NREL設(shè)計值，但是兩者的變化趨勢與理論值是一致的，主要由于服務器的計算能力及數(shù)值模擬采用的RNGk -E模型及網(wǎng)格質(zhì)量不高，不能精確地模擬葉片周圍流場的分布情況：而未耦合情況下功率輸出值和軸向推力均小于流固耦合情況，則主要是由于未耦合情況下暇設(shè)葉片是剛體，不發(fā)生變形，而實際情況下葉片在流場作用下會發(fā)生大的變形，尤其是葉尖處。
圖11給出了風力機下游X =0.5D處渦量、平芝風速和湍流強度的橫向值在耦合與未耦合情況下的分布．其中縱坐標Y／D是采用風輪直徑無量綱化的磺向距離．Y/D =0處為風輪中心�？梢钥闯�，風力機在流固耦合情況下，近尾跡區(qū)最大渦量是未耦合情況的50%，根據(jù)葉尖渦的誘導效應使葉片下游流場的速度虧損減小，故耦合情況下平均速度較未耦合情況有昕增大，從而提高了風力機軸向推力和風能轉(zhuǎn)換的能力。在流固耦合的作用下，近尾跡區(qū)的最大湍流強度也由未耦合情況下的18%增大到24%,如圖11(c)所示，這將會提高尾跡渦流運動產(chǎn)生的氣動噪聲，因此流固耦合的分析對風力機的研制設(shè)計具有科研意義。
4.2流固耦合對風力機遠尾跡的影響分析
風力機遠尾跡著眼于研究尾跡速度分布及湍流分布，是為了更好的研究風電場機組間的相互干擾。由于風輪旋轉(zhuǎn)的作用，風場流經(jīng)葉輪近尾跡區(qū)繼續(xù)在下游遠尾跡區(qū)域做螺旋運動，主要由中央尾跡區(qū)（由于動量損失造成速度降低）、外側(cè)主流區(qū)和葉尖渦誘導效應區(qū)組成[切。圖12和圖13分別給出了風力機下游遠尾跡和湍流強度(Tur-bulence Intensity．TI)分布云圖。
中風洞實驗測量出尾跡分布規(guī)律，尾跡軸向速度Vx發(fā)生虧損，使得尾跡徑 向速度Vr和切向速度
增加，并且發(fā)生正負變號，表明伴隨有渦的運動，但是由于Vr和
占遠
尾跡風速份額10%以下，因此由于流固耦合引起 的Vr和
的變化可以忽略，而軸向速度數(shù)值占主流速度的90%以上，占主導地位，能夠很好地反映尾跡的總體特征，可以作為下游布置風力機的有效參考因素。圖14具體表現(xiàn)了在耦合與未耦合情況下遠尾跡區(qū)的軸向速度分布對比圖，可以看出流固耦合對風力機尾跡下游軸向速度Vx影響顯著，在相同的下游位置時，流固耦合情況下尾跡區(qū)流場更接近來流風速，在4D距離處流固耦合情況比未耦合情況高15%左右，從而使風力機下游軸向風速在6D處等于來流風速，而未耦合情況下，尾跡軸向風速則在8D時等于來流風速，這將對風電場下游風力機的布置起到重要的參考作用。
根據(jù)Chamo進行的風洞實驗可知，與來流風場的低湍流度相比，風場流經(jīng)風力機后，下
游尾跡區(qū)湍流度大幅提高，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，相似的結(jié)論可以從圖14中觀察到。
圖15具體給出了耦合與未耦合情況下風輪下游不同位置處湍流度的橫向值的對比曲線，圖中標出了TI的最大值，觀察到max.TI出現(xiàn)在葉尖與葉根處，而且流固耦合使得風力機下游不同位置的湍流度較未耦合情況偏大，在X=D處最大TI偏大8%，在X=2D處偏大7%，在X=4D處偏大2%，X=6D以后的偏大值都小于1，說明流固耦合對遠尾跡湍流度的影響隨著下游距離的增大是不斷減小的。
圖16描繪了風力機下游不同截面上的最大
TI值，可以看出未耦合情況下max.TI的增量在X=3D出現(xiàn)拐點，這主要是由于在近尾跡處渦流的不穩(wěn)定性和渦流破裂造成的，而流固耦合則在X=2D處出現(xiàn)拐點，由于葉片與風場之間的雙向流固耦合，使葉尖渦變得更不穩(wěn)定，提前發(fā)生渦的脫離與破裂，于是max.TI提前出現(xiàn)拐點。
4.3流固耦合對風電場機組布置的影響分析
目前，由于一些風電場的布置未考慮流固耦合，常常將下游風力機布置在8D處，這存在一定的空間浪費，通過研究流固耦合對風力機遠尾跡分布影響分析可知，在流同耦合情況下研究風力機尾跡更接近風力機實際運行情況。流固耦合情況下,X =6D處軸向風速已經(jīng)高達來流風速的99.8%，湍流強度也達到9.8%，尾跡進入低湍流區(qū)域，后邊的尾跡對下游風機的功率輸出影響很�。ㄗh大型風電場風力機安置在上游風力機下游至少6倍風輪直徑距離處。同時，要考慮風力機橫向間距，本文建議至少2D距離以上，可見流固耦合對風電場的優(yōu)化布置起到非常重要的作用。
5結(jié)論
本文基于ANSYS+FLUENT對NREL 5 MW風力機進行雙向流固耦合，分析了流固耦合對風
力機尾跡的特性影響，得出以下主要結(jié)論。
①在風力機近尾跡區(qū)，雙向流固耦合情況下葉片發(fā)生變形，導致葉片周圍渦量和速度虧損減小，使風力機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換風能能力提高，輸出功率和軸向推力較未耦合更接近NREL設(shè)計值，而湍流強度則是有所提高，這將提高風力機氣動噪聲，可見考慮流固耦合對風力機結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化具有重要參考意義。
②在風力機遠尾跡區(qū)，軸向速度起主導地位，通過對軸向速度與湍流度的分析，與未流固耦合相比，在雙向流固耦合情況下，軸向速度更早地在X=6D處達到來流速度，而湍流強度也提前在X=2D處出現(xiàn)拐點開始下降，在X =6D處達到9.8%．流場進入低湍流度區(qū)。該研究結(jié)果為研究風電場機組優(yōu)化布置提供重要的理論基礎(chǔ)。
③在流固耦合基礎(chǔ)上，研究了風力機尾跡的分布特點，提出了在大型風電場中下游風力機組縱向間距不少于6倍風輪直徑和橫向距離不少于2倍風輪直徑的建議。
6摘要：
風力機尾跡區(qū)域的流場特征對風電場的優(yōu)化布置具有重要意義。文章基于流固耦合理論，采用AN -SYS+FLUENT方法和滑移網(wǎng)格技術(shù)對NREL 5 MW風力機的尾跡特性進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：在風力機近尾跡區(qū)流固耦合情況下風力機的輸出功率和軸向推力更接近NREL設(shè)計值；在遠尾跡區(qū)、雙向流固耦合情況下，軸向速度更早地在風力機下游6倍風輪直徑X =6D處達到來流速度，而湍流強度也提前在X=2D處出現(xiàn)拐點開始下降，在X =6D處達到9.8%，流場進入低湍流度區(qū)，從而得到了風力機合理布置方面的重要結(jié)論，這將對風力機合理布置和風電場經(jīng)濟性的提高提供一定的參考。
