双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究.pdf
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1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.005双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究杨瑞,杨涛,曾学仁?,方亮”,包广超”,田楠?(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 30 0 5 0;2.中国三峡新能源(集团)股份有限公司甘肃分公司,甘肃兰州7 30 0 5 0)摘要:为了研究双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能的影响,以NRELPhaseVI风力机叶片为模型,采用CFD方法分别对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共10 种模型进行模拟,分析其在不同
2、风速、转速下对风力机叶片气动性能的影响。计算结果表明,所有不同高度参数双排涡流发生器在不同转速、来流风速时,均能提升风力机叶片气动性能,改善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时,双排涡流发生器整体流动控制效果最好,即最佳高度参数Case 4(第一排涡流发生器高度3mm,第二排涡流发生器高度9 mm)前低后高组合。同时,最佳高度参数双排涡流发生器和单排涡流发生器相比能进一步延迟流动分离,取得更好的流动控制效果。关键词:风力机;数值模拟;涡流发生器;气动性能中图分类号:TH138;TK83The Influence of Double Row Vortex Genera
3、tor Height Parameters onYANG Rui,YANG Tao,ZENG Xue-ren,FANG Liang,BAO Guang-chao,TIAN Nan?(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Gansu Branch of China Three Gorges New Energy(Group)Company Limited,Lanzhou 730050,China)Abstract:In order to st
4、udy the influence of the height parameters of the double-row vortex generator on the aerodynamic performance of thewind turbine,the NREL Phase VI wind turbine blade is used as the model,and the CFD method is used to simulate the installation of thesingle-row vortex generator and the double-row vorte
5、x generator with different height parameters.A total of 10 models were simulated to analyzetheir effects on the aerodynamic performance of wind turbine blades at different wind speeds and speeds.The calculation results show that alldouble-row vortex generators with different height parameters can im
6、prove the aerodynamic performance of wind turbine blades and improve theflow field of wind turbines at different speeds and incoming wind speeds.Among them,when the height difference between the first row ofvortex generators and the second row of vortex generators is larger,the overall flow control
7、effect of the double-row vortex generators is the best,that is,the best height parameter case 4(the height of the first row of vortex generators is 3 mm,and the height of the second row of vortexgenerators is 9 mm).At the same time,the optimal height parameter double-row vortex generator can further
8、 delay the flow separation andachieve better flow control effect than the single-row vortex generator.Key words:wind turbine;numerical simulation;vortex generator;aerodynamic performance0引言风力机是将风能转换为机械能的装置,叶片是最重要的组成部分之一 。为了提高风力机的输出功收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 0基金项目:国家自然科学基金(5 19 6 5 0 34)作者简介:杨瑞(19 7 0-),男,河
9、南南阳人,教授,博士,研究方向:风力机空气动力学。文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 2 3-0 7Wind Turbine Aerodynamic Performance率,捕获更多的风能,有必要优化叶片的气动性能,进行高效的流动控制。目前,国内外已有部分学者对涡流发生器展开了研究,韩章敬等 2 对涡流发生器的形状和高度进行研究,发现加装高度7 mm的梯形涡流发生器时,翼型升力系数最大,提升翼型气动性能最优。JOHANSEN等 3 通过设置对称边界与周期性边界条件,分析了不同边界条件对加装涡流发生器的风力机叶片气动性能数值模拟的影响。WANG等
10、 4 利用粒子群优化算法,对风力机翼型与涡流发生器整体化设计,23液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期从而使新的风力机翼型最大升力系数提高了9.3%,升阻比提高了7.5%。江瑞芳等 5 采用CFD数值模拟,研究了不同来流风速下,加装涡流发生器的 Phase VI风力机气动特性,发现涡流发生器能显著改善叶片表面的流动分离,减小分离涡强度、高度,使分离点后移。PAULEY6研究了涡流发生器不同间距下产生的涡旋场,发现不同的涡流发生器间距对涡旋环流具有显著影响。杨劲等 7 使用转模型对7 5 0 kW定桨距风力发电机叶片安装相同尺寸的涡流发生器进行研究,分0.25R(a)安装双排涡流发生器的叶片
11、(a)Blades with double rows of vortex generatorsB析了涡流发生器控制流动分离的规律与机理,并将模拟结果实际运用于风力发电机组中,使得机组年发电量增长5.6 9%。张磊等 8 对风力机专用翼型加装双排涡流发生器进行实验研究,未得到满意的结果。张惠 9 以风力机专用翼型DU93-W-210为模型,实验研气流究单排、双排涡流发生器,发现双排涡流发生器有着更好的流动控制效果。还有学者对安装涡流发生器翼段动态失速和参数化建模进行了相关研究 10-1O综上所述,关于涡流发生器的研究主要集中于单排涡流发生器,对于双排涡流发生器的研究仅局限于翼型段,并没有更加深入
12、地考虑双排涡流发生器各种几何参数对风力机气动特性的影响。同时,也没有考虑风力机实际运行过程中受到离心力、科氏力作用而产生的三维旋转效应影响。因此,本研究考虑三维旋转效应耦合作用时,对双排涡流发生器前后排高度参数进行较为系统的研究,探究出最佳双排涡流发生器前后排高度参数,为实现高效的流动控制提供相应的数据参考。1数值模拟方法1.1研究内容本研究以NRELPhaseVI风力机叶片为模型,该风轮半径5.0 2 9 m。由于分离流动区域首先发生在叶片根部,并且流动分离较大,因而将涡流发生器安装在叶片展向0.2 5 R0.6R处,弦向方向第一排涡流发生器安装在2 0%c(c 是该处翼型弦长)、第二排涡流
13、发生器安装在4 0%c,如图1a所示。涡流发生器选择的是三角形结构,其高度H=5 mm、弦长 L=17 mm,人流角=16.4,2个相邻的涡流发生器对之间的距离为入=5H=25mm,每对涡流发生器翼尖的距离为S=2H=10 mm,如图 1b 所示。数值计算包括原始叶片、单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共11种模型,如表1所示。24S(b)涡流发生器儿何参数(b)Geometric parameters of vortex generator图1研究对象Fig.1Research object表1双排涡流发生器高度参数计算算例Tab.1Double row vortex generat
14、or height parametercalculation example几何参数方案生器高度H生器高度H,原始模型Caseo单排涡流发生器CaselCase2Case3Case4Case5双排涡流发生器Case6Case7Case8Case9Case101.2网格与计算域本研究使用ANSYS ICEM非结构化网格方法,生成了3种不同网格数来验证网格无关性,如表2 所示,L第一排涡流发第二排涡流发6333666999mm369369369Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024可以看出,方案(b)和方案(c)的实验转矩值与模拟转表3双排涡流发生器不同高度参数
15、风力机输出转矩矩值吻合良好,考虑计算时间和精度,网格划分最终采Tab.3Output torque of wind turbine with different height用方案(b)。parameters of double row vortex generator转速表2 网格无关性验证CaseI min 1Tab.2Grid independence verification方案风速/m s-1EXP(a)(b)(c)计算域的人口离风轮是5 D(D为风轮直径,m),设置格式为速度进口条件;出口离风轮是10 D,使尾流充分发展,设置格式为远端压力场,通常为标准大气压;壁面与风轮的距离为2
16、.5 D,设置格式为特殊壁面;计算域分为旋转域、静止域,通过设置Interface来传递数据;叶片表面设置为无滑移壁面,计算域如图2 所示。压力出口11速度入口5D图2 计算域示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation domain2结果与分析2.1风力机输出转矩分析在恒定风力机转速下,风力机转矩与输出功率呈现正向增长规律,因而,可以通过研究风力机转矩来反映其输出功率情况,其计算模拟算例如表1所示。从表3中可以看出,在来流风速,风力机转速恒定的情况下,单排涡流发生器和不同高度参数的双排涡流发生器对风力机输出转矩有着不同的影响。其中,单排涡流发生器Case
17、1输出转矩与双排涡流发生器Case6接近。随着风速和转速增大,Case 1与Case 6输出转矩和转矩变化量随之增大,但Case6转矩变化量明显大于Case1转矩变化量,这反映出双排涡流发生器随风速和转速的增大,流动控制效果较单排涡流发生器会更好。速度ms110网格总数转矩/Nm无13498.65 1061176101.22 1071.58 107风轮10D输出转矩转矩变化量Nm%129872.11301391.015129810130572.1191.072.1291.072.1391.072.149172.1591.072.1691.072.1791.0127419792082141713
18、14691322921523261013591314211322481523691013961314501323161524581014821315861324091525871013841314601323061523901014161314991323141524761014281315211323471524919.1715.3115.8211.724.7011.5413.5913.787.5513.8117.0318.0614.1824.4921.7324.266.6314.6016.5214.799.0917.6616.9318.9210.0219.3918.6019.6425cas
19、el液压气动与密封/2 0 2 4年第3期(续表3)转速速度CaseI:min=172.1891.072.1991.072.11091.0在风力机转速 7 2.1 r/min,来流风速10 m/s 时,Case4的风力机输出转矩提升最大,其转矩变化量为14.18%,其次为Case7,其转矩变化量为10.0 2%。可以看到,将第一排涡流发生器高度与第二排涡流发生器高度单独分析时,在第一排涡流发生器高度一定时,随着第二排涡流发生器高度的增加,其风力机输出转矩也在不断提高,并在第二排涡流发生器高度为9 mm时,输出转矩最大。而当第二排涡流发生器高度一定参数计算模拟算例均提升了风力机输出转矩和转矩变输
20、出转矩转矩变化量ms1Nm101376131392132250152355101373131410132254152368101379131396132253152373化量,其双排涡流发生器最佳的高度参数依然为%Case4,转矩变化量为2 4.49%。6.01当风力机转速9 1 r/min,来流风速13m/s时,随着风力机转速增大,同一来流风速下,双排涡流发生器不9.26同高度参数计算模拟算例输出转矩均随之增大。其双13.69排涡流发生器高度参数规律也呈现第一排涡流发生器13.11与第二排涡流发生器高度存在最大高度差(前低后高)5.78时,风力机输出转矩提升效果最好,即第一排涡流发生10.6
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