偏航对风力机气动性能影响的数值模拟研究

周文平，付龙虎

（泸州职业技术学院机械工程系，四川泸州646005）

来稿日期：2017-03-07

基金项目：四川省科技计划项目（2017JY0112）；泸州市科技局项目（2014-S-50）作者简介：周文平，（1982-），男，重庆江津人，博士研究生，讲师，主要研究方向：流体动力机械、计算流体力学

1 引言

风力机处于来流风速和风向时刻变化的自然环境中，当来流风与风轮轴线方向不一致时，处于偏航未对准状态[1]。此时，风轮每转动一个角度，来流风的水平分量会使叶片附着环量在一个旋转周期内产生变化，叶片相对速度和攻角也会发生变化，导致叶片承受周期性变化的气动载荷，加剧叶片的挥舞和摆振，甚至影响输出功率的质量[2]。因此有必要对风力机偏航运行的气动性能进行分析。

对风力机偏航工况的气动性能分析主要有实验研究和计算研究两种[3]。实验研究对设备及成本的要求较高且实验周期较长，具有明显的局限性[4]。基于一系列假设条件的动量叶素理论、涡流理论等计算研究方法则需要加入半经验的修正模型以计入偏航引起的偏斜尾迹的影响，导致计算精度不高[5-6]。事实上，考虑风力机偏航运行时尾流流场的复杂性，通过直接求解雷诺时均三维粘性Navier-Stokes 方程的CFD 数值模拟方法不仅能够较准确描述叶片流动分离、转捩及动态失速等复杂现象[7-8]，再加上计算机技术的飞速发展，

已经能够运行千万以上的网格，因此具有明显的优势。

首先采用数值分析软件ANSYS FLUENT 对风力机处于轴流工况时的气动性能进行计算，并与文献实验数据进行比较，验证计算网格及方法的可靠性。然后基于滑移网格模型对处于偏航工况的风力机进行三维非定常粘性计算，分析一个旋转周期内风轮尾迹流场及气动性能的变化规律。

2 数学模型建立

2.1 计算模型

模拟风力机采用NREL Phase VI 风力机[9]。该风力机直径D 为10.058m ，叶片数为2，翼型为S809，并于2000年在美国NASA Ames 研究中心进行了全尺度的非定常空气动力学

（UAE ）实验，有较完备的实验数据用于计算结果的对比确认。详细的风力机参数和实验数据参考文献[10]。计算流场模型图，如图1所示。将整个计算域分为内部旋转区域和外部静止区域。其中内部旋转区域将叶片包围，计算域半径6m ，高度12m 。外部静止区域的进口距叶片25m ，设置为速度入口边界，并给定湍流强度（偏航入流时只需

摘要：采用基于滑移网格模型的三维非定常数值模拟方法，对NREL Phase VI 风力机在轴流工况下的气动性能进行计

算，并与参考文献提供的实验值进行比较，验证了方法的可靠性。然后对该风力机在偏航工况下的尾迹结构和气动性能进行计算，结果表明：偏航工况时，风力机尾迹呈现明显的偏斜特性，且尾迹区的速度恢复比轴流工况慢；旋转周期内，叶片根部和中部受偏航入流的影响较大，导致叶片表面压力变化较大且吸力面流动分离严重，而叶尖区域受偏航的影响较小。计算结果能够为研究风力机的动态失速以及风场中风机群的优化布置等问题提供指导。关键词：风力机；偏航；尾迹结构；气动性能；数值模拟中图分类号：TH16；TK83文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）09-0240-03

Numerical Analysis of Wind Turbine Aerodynamic

Characteristics Under Yawed Inflow

ZHOU Wen-ping,FU Long-hu

（Department of Mechanical Engineering ，Luzhou Vocational and Technology College ，Sichuan Luzhou 646005，China ）Abstract ：The aerodynamic characteristics of NREL Phase VI wind turbine under axial inflow are computed based on sliding meshing of 3D unsteady CFD method.The comparison between calculated results and available experimental data shows that the method is suitable for wind turbine analysis.The wake structure and aerodynamic characteristics of NREL Phase VI under yawed inflow condition are computed.Results show that ：the wake of rotor presents deflection under yawed inflow,and the recovery of wake velocity is slower than axial inflow ；the flow at inboard blade sections is affected by yawed inflow greatly,which result in change of pressure and separate of flow at suction side more severe than outboard regions.The conclusions can provide guidance for research of dynamic stall and optimal arrangement of wind turbine.

Key Words ：Wind Turbine ；Yawed Inflow ；Wake Structure ；Aerodynamic Characteristics ；Numerical Simulation

Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

第9期2017年9月

240

万方数据