湿空气对风力机翼型及叶片气动性能影响的数值研究

摘要

风力发电由于其发电成本低和对环境影响小是一种最有前途的清洁能源。海上风资源好、电容量大、效率高，已成为全球风电发展的最前沿方向。与此同时，恶劣的海洋环境制约着海上风电的发展，强烈的日光照射、高浓度的盐雾环境、高湿度、水分侵蚀等因素都会对风力机及叶片表面造成损害，影响机组安全，增加运行维护成本。海洋环境湿度较大，我国渤海湾长年湿度在50％-95％之间，翼型及叶片周围压力、温度的变化在一定条件下会引起水汽发生凝结现象。凝结不仅会改变翼型表面附近的压力、温度等流动参数，甚至还会导致翼型升力、阻力特性发生改变，影响其气动性能。此外，叶片表面潮湿容易造成粘污，寒冷条件下极易叶片覆冰，叶片粘污和覆冰都会影响风力机叶片的功率输出。因此，研究高湿度条件下风力机翼型及叶片的气动性能对海上风力机翼型优化、提高发电效率具有重要意义，同时将为叶片预防粘污及结冰提供一定的理论基础。
　　数值研究湿空气对风力机翼型及叶片气动性能的影响，从湿空气的存在状态出发，考虑湿空气的物理特性及凝结过程，基于两种方法三种模型，由浅到深，逐步研究湿空气对翼型及叶片气动性能的影响。
　　首先将湿空气考虑为水蒸汽和干空气的混合气体，采用单相方法，基于组分输运模型，以NACA63418翼型为例，数值研究不同湿度空气流过翼型的气动特性;其次在输运模型基础上，考虑凝结发生，通过Fluent编写表面凝结自定义函数(UDF)实现壁面凝结边界条件，利用凝结模型研究凝结发生情况下的翼型气动性能。计算结果显示:不考虑凝结时，湿度变化对翼型气动性能的影响主要是湿空气密度变化引起的，升阻力系数随湿度增大而减小;当发生凝结时，升力系数增加。攻角不同，翼型表面凝结分布不同，翼型前缘点附近凝结量最大;相同攻角时，凝结质量流率随湿度升高而增大，温度越高，凝结量越大。然后基于组分模型和凝结模型，以1.5MW风力机叶片为模型，研究了湿空气流过旋转叶片的气动性能，详细分析了湿空气流过叶片后的功率变化、叶片表面的凝结水分布。结果显示:组分输运模型下，湿度越大，叶片输出功率越小，说明湿气对叶片出力有负面影响;考虑凝结后，湿度越高，含水量越大，计算功率越小;对比凝结前后叶片功率大小，发现所有计算工况，考虑凝结后的叶片功率较未考虑凝结时的叶片功率要高，原因是凝结发生后，空气中的水蒸汽在叶片表面有凝结，空气中的水含量降低，引起压力变化，继而影响叶片出力;通过分析叶片表面凝结质量流率和水质量分数分布，发现叶片表面压力侧，从叶根到叶尖，凝结质量流率逐渐增大，叶尖位置截面翼型靠近前缘位置处最大，该区域是最容易沾污的区域。
　　大雾天气是高湿度空气最常见的一种，雾是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物，因此，可将雾气类湿空气考虑为一定尺寸的小液滴和干空气的混合气体，采用欧拉两相方法，基于欧拉壁面膜模型计算空气中水滴在翼型和叶片表面的分布情况以及雾滴对翼型和叶片气动性能的影响。欧拉法是将流场中的液滴看作与气流相互渗透的拟流体来求解每一相的守恒方程，流体作为一个连续相求解时均采用N-S方程，雨滴作为离散相。计算结果显示:计算风速条件下，随湿度增大，风力机输出功率减小，高温度条件下功率降低幅度大，说明湿度越大（含水量高），对功率影响越大;两种计算风速条件下，随湿度增大，推力整体呈减小趋势，考虑叶片表面水滴集聚后，推力跟功率变化趋势一样，都是减小，进一步说明水分对气动性能有影响;通过湿度对流场、速度、压力影响分析发现，整体上，90％湿度下各截面的压力低于50％湿度下各截面的压力，沿叶片展向，越靠近叶尖位置，两湿度条件的压力差越大，含水量均布的前提下，叶片前缘正对位置水滴碰撞的频率高。湿度变化主要影响叶片表面的摩擦系数，对压力系数的影响较小。通过翼型表面水体积分数及形成的水膜分析，发现水滴主要在翼型前缘正对来流区域汇集，以及翼型尾缘会有少量积聚，因此，据此推断，在一定湿空气条件下，该区域最容易被昆虫或灰尘污染，是寒冷天气下最容易结冰的区域，同时也是最容易磨损的区域，针对室外环境恶劣条件下的风力机运行叶片，叶尖部位前缘及尾缘区是重点防护的区域。
　　综上所述，本文研究湿空气对风力机翼型及叶片气动性能影响，从翼型到叶片，从组分模型到凝结模型，再到欧拉壁面膜模型，由简单到复杂，层层递进，逐渐接近真实物理模型。研究结果为采用数值方法研究湿空气导致的翼型和叶片的污染、结冰问题提供参考，为理论研究翼型和叶片表面凝结提供借鉴，通过分析翼型和叶片表面水汽凝结及表面水膜汇集分布，为开发防水、防覆冰叶片涂层等有针对性的防护措施提供理论支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 风能及其发展趋势

1．2 风力机的发展趋势

1．3 风电叶片发展趋势及其面临的问题

1．3．1 大叶片的发展近况

1．3．2 低温环境下叶片结冰问题

1．3．3 风力机叶片污染磨损问题

1．4 风力机空气动力学面临的挑战

1．4．1 动量叶素理论

1．4．2 涡尾迹方法

1．4．3 CFD方法

1．4．4 三维旋转效应

1．5 研究内容与论文结构

第2章 控制方程和数值方法

2．1 风力机空气动力学基本理论

2．1．1 一维动量理论

2．1．2 叶素动量理论

2．2 凝结理论及模型

2．2．1 均匀凝结

2．2．2 表面凝结

2．2．3 存在不凝气体的表面凝结

2．2．4 凝结模型

2．3 控制方程

2．3．2 雷诺平均N-S方程(RANS)

2．3．3 湍流模型

2．4 本章小结

第3章 基于凝结模型湿空气绕流翼型气动性能分析

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 模型验证

3．3．1 凝结模型验证

3．3．2 网格生成及无关性检验

3．3．3 翼型CFD数值计算模型验证

3．4 湿空气对密度变化影响

3．5 湿度变化对翼型性能影响分析

3．6 本章小结

第4章 基于欧拉壁面模型的湿空气翼型气动性能分析

4．1 引言

4．2 理论模型

4．3 计算设置

4．4 计算结果分析

4．4．1 升阻力系数

4．4．2 压力

4．4．3 速度

4．4．4 体积分数

4．4．5 膜速度

4．4．6 膜厚度

4．5 本章小结

第5章 风力机叶片CFD数值模拟

5．1 几何模型

5．2 计算方法

5．2．1 计算网格

5．2．2 边界条件

5．3 计算结果分析

5．3．1 功率

5．3．2 叶片力

5．3．3 截面翼型特性

5．3．4 压力分布

5．3．5 三维旋转效应分析

5．3．6 变桨对叶片气动性能分析

5．4 本章小结

第6章 基于凝结模型的风力机叶片气动性能分析

6．1 引言

6．2 计算方法

6．3 结果分析

6．3．1 功率及推力

6．3．2 凝结模型对气动性能影响

6．3．3 湿气对叶片气动性能影响

6．4 本章小结

第7章 基于欧拉膜模型的湿空气叶片气动特性分析

7．1 引言

7．2 计算方法

7．3 结果分析

7．3．1 功率特性

7．3．2 欧拉壁面膜模型对气动性能影响

7．3．3 湿汽对叶片气性能的影响

7．4 本章小结

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

作者简介