IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性.pdf
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1、能源与动力工程IDDES 方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性杨从新1,2,张宇婷1,岳念西1(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050)摘要:为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以 NH1500kW 大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的 IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功
2、率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。关键词:水平轴风力机;数值模拟;IDDES 方法;流场特性中图分类号:TK83文献标志码:A文章编号:1673159X(2024)01007809doi:10.12198/j.issn.1673159X.4381TheFlowFieldCharacteristicsofLargeHorizontalAxisWindTurbineinShearInflowBasedonIDDESMethodYANGCongxin1,2,ZHANGYuting1,YUENianxi1(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou
3、 University of Technology,Lanzhou 730050 China;2.Gansu Province Technology Center for Wind Turbines,Lanzhou 730050 China)Abstract:Inordertostudytheflowfieldcharacteristicsoflargehorizontalaxiswindturbineunderwindshear,theNH1500kWlargehorizontalaxiswindturbinewastakenastheresearchobject.Theflowfieldc
4、haracteristicssuchasinstantaneousvelocitycomponent,pulsationvelocityandwindturbineoutputpowerwereanalyzedbyIDDES(improveddelayeddetachededdysimulation)methodwithhighsimulatedflowfieldaccuracyinCFD.Theresultsshowthattheflowfieldvelocityaroundthewindwheelplanefluc-tuatesgreatly,andtheaxialvelocityincr
5、easesoutsidetherotatingboundaryofthewindwheel,whilede-creaseswithintherotationboundary.Thespectralcharacteristicsofthepulsationvelocityarerelatedtotheintegertimesoftherotationfrequencyofthewindwheelinthelowfrequencyregion.Thesimulatedwindturbinepowerincosineformsatisfiestheturbulentspectralcharacter
6、istics.Keywords:horizontal axis wind turbine;numerical simulation;IDDES method;flow fieldcharacteristics收稿日期:20230323基金项目:国家自然科学基金资助项目(12062012);甘肃省风力机工程技术研发中心专项基金(071904)。第一作者:杨从新(1964),男,教授,博士,主要研究方向为流体机械流动分析与优化设计。ORCID:0000000224550555E-mail:引用格式:杨从新,张宇婷,岳念西.IDDES 方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性J.西华大学学报(自然科
7、学版),2024,43(1):7886.YANGCongxin,ZHANGYuting,YUENianxi.TheFlowFieldCharacteristicsofLargeHorizontalAxisWindTurbineinShearInflowBasedonIDDESMethodJ.JournalofXihuaUniversity(NaturalScienceEdition),2024,43(1):7886.第 43卷第 1 期西华大学学报(自然科学版)2024年1月Vol.43,No.1JournalofXihuaUniversity(NaturalScienceEdition)Ja
8、n.2024大气边界层内的气流受地形、地表植物、建筑等障碍物的影响,流速随高度而发生变化,越远离地面流速越大且到达某一高度后保持相对稳定。随着风电机组大型化,轮毂高度和风轮直径越来越大,这种不均匀的剪切流对风力机的影响越来越明显,导致风力发电机组实际输出功率难以达到预期值,而且在风力机后方形成较大的速度损失和复杂的涡结构等;因此,风力机气动性能分析和流场分析很有必要考虑风剪切的影响。目前,已有不少国内外学者用不同方法分析了风力机的气动性能和流场状况。文献 15 以小型风力机为研究对象,利用风洞实验测量数据,建立了较详细的风力机气动信息数据库,为分析风力机的流场特征、验证数值模拟方法提供了可靠的
9、依据。文献 6 用BEM 方法和 RANS(雷诺平均模拟)方法对飞行器专用风机在高空环境中的气动特性进行了瞬态模拟比较,发现在设计工况下两种方法有较好的一致性。文献 78 基于致动线模型结合 RANS 方法和 LES(大涡模拟)方法模拟小型风力机尾流中的湍流结构,结果发现均匀入流与剪切入流条件下风力机流场的主要区别是尾流场速度亏损的对称性,另外二者在距地面较高处雷诺应力表现出相似性。文献 9 基于致动面模型结合 N-S 方程分析了单台 NibeA 型风力机尾流区域内的风速变化、湍流强度、涡结构等。文献 1011 采用RANS 方法对风力机进行全尺度数值模拟,分析了风切变系数对风力机近尾流区域特
10、性的影响,以及不同叶尖速比下风力机载荷分布和机舱、塔架附近流场结构。以上文献调研可以看出风力机流场分析方法的多样化,其中实验方法是研究风力机空气动力学问题的基础,能比较全面地获取流场信息,促进人类对水平轴风力机流场状态的认知,但其耗时耗力,实现难度较大。致动线、致动面模型结合 CFD 方法将风力机简化为线或面,气流经过风力机时无法精确描述叶片表面的流动状态,对流场细节的描述还有待改进。数值模拟中的RANS 方法对定常工况描述具有优势,但风力机运行大多处于非定常状态,显然该方法的计算精度略低。LES 方法计算精度足够高,但它对网格密度要求高、计算量大,已有的研究大多是针对小型风力机。针对以上问题
11、,有人构建 RANS-LES 混合模型用于瞬态流动分析,从原始的 DES(分离涡模拟)方法到 DDES(延迟分离涡模拟)方法再到Spalart 等12提出的 IDDES 方法,一步步优化改进模拟方法的适用性和精确性。目前,IDDES 方法已被广泛应用于多个领域,比如高速列车气动性能分析13、氢燃料燃烧模拟14、水泵内部流动分析15以及海上垂直轴风力机16的空气动力学问题等,以上研究充分发挥了 IDDES 方法在解决机械运动非定常问题的适用性和精确度。鉴于此,本文采用高精度的 IDDES 方法,分析风切变来流条件下大型水平轴风力机流场特征。1计算模型1.1几何模型选择 NH1500kW 风力机作
12、为计算模型,风力机的具体参数见表 1。对模型进行简化,忽略风轮的锥角和仰角,该风力机的几何模型如图 1 所示。表1NH1500kW 风力机参数Tab.1NH1500kWWindturbineparameters参数数值额定功率/kW1500风轮直径/m83.0叶片长度/m40.5额定风速/(m/s)10.4额定转速/(r/min)17.2翼型NH02-系列轮毂中心高度/m65.0ZYX图1风力机几何模型Fig.1Geometricmodelofwindturbine1.2数学模型1.2.1数值方法IDDES 方法结合壁面边界层区域附近的雷诺第1期杨从新等:IDDES 方法模拟风切变下大型水平轴
13、风力机流场特性79时均模拟和非稳定分离区域大涡模拟的特性。计算流动问题过程中用到的三维不可压缩流体的N-S 方程结合 IDDES 方法得到新的湍流输运方程式为:(k)t+(kui)xi=xj+tk3kxj+Pkk32/lIDDES()t+(ui)xi=xj+t3xj+3kPk32+2(1F1)12kxjxj式中:Pk为由于黏性力引起的湍流生成项;t为湍流黏度。t定义为t=a1kmax(a1,SF2)lIDDESIDDES 方法湍流长度尺度定义为lIDDES=efd(1+fe)lRANS+1fdlLESfd式中:为混合函数;fe为增益函数17。RANS 和LES方法湍流长度尺度 lRANS和 l
14、LES分别定义为:lRANS=k1/2lLES=F1CDES1+(1F1)CDES2式中:*为经验系数,取值 0.09;F1为混合函数;CDES1与 CDES2为通过混合函数计算的模型系数,分别取值 0.78 和 0.61;为网格尺度,表达式为=minmax(0.15dw,0.15hmax,hwn),hmax式中:dw为计算点到壁面的距离;hmax为单元最大边长;hwn为垂直于壁面方向的网格尺度。上述IDDES 方法引入 lIDDES较好地解决了非定常来流的适用性问题,从而更精确地预测瞬态流动湍动能运输及耗散情况。1.2.2风速沿高度方向的指数律分布用指数律描述风速沿高度变化规律的分布函数表达
15、式为VV0=HH0VHV0H0H0V0式中:为距离地面高度 处的风速大小,m/s;为距离地面参考高度处的风速大小,m/s;为风剪切指数。本文中取轮毂中心高度 65m,取额定风速 10.4m/s,取 0.16。1.3计算域的划分风力机的计算域由图 2 所示的旋转域和静止域两部分组成,原点位于风轮中心,来流速度垂直于 XZ 平面指向 Y 轴负方向,计算域入口距离风力机 2D(D 为风轮直径),出口距离风力机 5D,左右边界距离风轮中心各 1D。对计算域进行结构化网格划分,其中旋转域内叶片表面和边界层网格作加密处理,网格加密的局部放大如图 3 所示。旋转域静止域65 mmOD2D2D5DZXY图2计
16、算域划分示意图Fig.2Computationaldomainpartitiondiagram(a)叶片局部表面网格(b)边界层网格图3旋转域网格加密局部放大图Fig.3Localmagnificationofrotatingdomaindensemesh1.4边界条件及求解器设置进口边界条件选择速度入口(velocityinlet),使用用户自定义函数(userdefinedfunctions,简称UDF)改变风速在高度方向上的变化,实现剪切入流方式;出口边界条件选择自由出流(outflow);壁面边界条件为风力机塔筒和机舱设置为无滑移壁面(noslippingwall),轮毂和叶片设置为旋
17、转壁面(movingwall)。求解器选择压力求解器,采用SIMPLEC 算法实现压力和速度的耦合。二阶迎风格式离散方程,先用 RANS 方法计算稳态,待结果收敛后以该结果作为 IDDES 方法瞬态计算的初始状态。由风力机额定转速 17.2r/min 计算风轮旋转1所需时间为 0.0096899s,即为瞬态计算的时间步长。监测残差收敛曲线,当达到设置的收敛标准并且其余监测量稳定变化时,可认为计算结果收敛。80西华大学学报(自然科学版)2024年2计算验证2.1网格无关性验证数值模拟中网格密度对计算结果的准确性影响很大,所以做网格无关性验证排除网格密度对结果的干扰。图 4 给出了额定风速 10.
18、4m/s 下由不同网格数目计算得到的风力机输出功率以及相对误差大小。由图可知,网格数目越多,风力机的输出功率越大,同时越接近额定功率。当网格数目约2500 万时,相对误差在 5%以内,再加密网格相对误差越来越小。综合考虑计算时长、计算资源、计算误差等因素,选定 3200 万网格数目的数值模拟结果进行分析。0500 1 0001 5002 0002 5003 0003 5004 0001 2501 3001 3501 4001 4501 500输出功率/kW网格数目/万图4不同网格数下机组输出功率Fig.4Theoutputpowerofwindturbineunderdifferentmesh
19、number2.2准确性验证为了验证湍流模型的准确性,将额定风速下模拟得到的推力系数 CT、转矩系数 CM与文献 18中商用软件 GHBladed 校核结果作对比,结果如表 2所示。从表中可以看出 IDDES 方法计算结果稍大于 GHBladed 校核结果,推力系数和转矩系数的相对误差分别为 6.34%和 3.2%,均在 10%以内,由此证明 IDDES 方法模拟风力机气动性能可靠性较高。2.3数值方法对比验证从两种模拟方法的瞬时速度云图(图 5)对比可以看出,RANS 方法模拟得到的流场在风轮正对高度处速度云图基本呈对称状,而 IDDES 方法模拟的流场波动性更强,能捕捉到流场中叶尖涡、叶片
20、尾缘涡和中心涡以及大面积不规则的速度亏损,这种现象更符合风力机真实流场状况,由此可见IDDES 方法在模拟流场细节方面的优势远大于RANS 方法。00.51.01.52.02.50.750.500.2500.250.500.75V/(ms1)012345678910(a)IDDES 方法(b)RANS 方法00.51.01.52.02.50.750.500.2500.250.500.75012345678910V/(ms1)Y/DY/DZ/DZ/D图5YZ 平面(X=0)瞬时速度云图Fig.5YZplane(X=0)instantaneousvelocitycontourplots3计算结果与
21、分析为了描述方便,定义风轮旋转方位角,图 6 为风轮旋转方位角示意图。坐标原点位于风轮中心,当图中 1#叶片与 X 轴垂直并指向 Z 轴正方向时的方位角记为 0,该叶片绕轴顺时针(风力机正前方视角)旋转一周记为风轮的一个旋转周期,需要3.488364s。3.1流场速度速度是描述流场特性的一个重要物理量,流场中任意点的速度可以分解为直角坐标系 3 个方向上的速度分量。图 7 给出了风轮旋转 9 周到达表2风力机推力、转矩系数对比Tab.2Comparison of wind turbine thrust and torquecoefficients方法GHBladedIDDESV/(m/s)10
22、.410.4CT0.630.67T6.34%CM0.0620.064M3.2%第1期杨从新等:IDDES 方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性810方位角时流场中速度分量随高度的变化情况。沿轴向在风力机前后共选取了 9 个位置,Z/R=0 对应风轮中心位置,Z/R=1 对应风轮旋转上下边界。从图 7 可以看出:风力机前后方的速度变化差异很大,前方 1D 和 0.5D 处的横向速度和纵向速度沿高度方向变化量均很小,轴向速度沿高度方向的分布与计算域入口设置的剪切入流曲线几乎重合,说明前方 1D 和 0.5D 范围内风力机对气流流速的影响特别小,基本可以忽略;0.1D 处 3 种速度较另外两处变
23、化幅度变大,横向速度沿高度方向的变化呈现“W”型,平均增长 15.3%,最大增长 39.4%,风轮中心下方的变化幅度小于上方,纵向速度沿高度方向的变化曲线大致呈对称状,平均增长 4.5%,最大增长 94.8%,轴向速度在正对风轮位置处小于来流设定值,而在风轮上方略大于来流设定值,平均亏损率为 6%,说明风轮的旋转效应对机组前方0.1D 处的气流造成扰动。在风力机后方同一轴向位置处由于组成叶片翼型的气动特性和翼型所处位置的旋转线速度不同,所以速度分量沿高度方向发生不同程度的变化,后方 0.1D 处 3 种速度分量变化最明显,尤其在风轮中心下方(Z/R0),由于该位置位于塔筒正后方且距离塔筒很近,
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