濕空氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響的數(shù)值研究.pdf

1、風力發(fā)電由于其發(fā)電成本低和對環(huán)境影響小是一種最有前途的清潔能源。海上風資源好、電容量大、效率高，已成為全球風電發(fā)展的最前沿方向。與此同時，惡劣的海洋環(huán)境制約著海上風電的發(fā)展，強烈的日光照射、高濃度的鹽霧環(huán)境、高濕度、水分侵蝕等因素都會對風力機及葉片表面造成損害，影響機組安全，增加運行維護成本。海洋環(huán)境濕度較大，我國渤海灣長年濕度在50％-95％之間，翼型及葉片周圍壓力、溫度的變化在一定條件下會引起水汽發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。凝結(jié)不僅會改變翼型表面

2、附近的壓力、溫度等流動參數(shù)，甚至還會導致翼型升力、阻力特性發(fā)生改變，影響其氣動性能。此外，葉片表面潮濕容易造成粘污，寒冷條件下極易葉片覆冰，葉片粘污和覆冰都會影響風力機葉片的功率輸出。因此，研究高濕度條件下風力機翼型及葉片的氣動性能對海上風力機翼型優(yōu)化、提高發(fā)電效率具有重要意義，同時將為葉片預防粘污及結(jié)冰提供一定的理論基礎。
　　數(shù)值研究濕空氣對風力機翼型及葉片氣動性能的影響，從濕空氣的存在狀態(tài)出發(fā)，考慮濕空氣的物理特性及凝結(jié)過程

3、，基于兩種方法三種模型，由淺到深，逐步研究濕空氣對翼型及葉片氣動性能的影響。
　　首先將濕空氣考慮為水蒸汽和干空氣的混合氣體，采用單相方法，基于組分輸運模型，以NACA63418翼型為例，數(shù)值研究不同濕度空氣流過翼型的氣動特性;其次在輸運模型基礎上，考慮凝結(jié)發(fā)生，通過Fluent編寫表面凝結(jié)自定義函數(shù)(UDF)實現(xiàn)壁面凝結(jié)邊界條件，利用凝結(jié)模型研究凝結(jié)發(fā)生情況下的翼型氣動性能。計算結(jié)果顯示:不考慮凝結(jié)時，濕度變化對翼型氣動性能的影

4、響主要是濕空氣密度變化引起的，升阻力系數(shù)隨濕度增大而減小;當發(fā)生凝結(jié)時，升力系數(shù)增加。攻角不同，翼型表面凝結(jié)分布不同，翼型前緣點附近凝結(jié)量最大;相同攻角時，凝結(jié)質(zhì)量流率隨濕度升高而增大，溫度越高，凝結(jié)量越大。然后基于組分模型和凝結(jié)模型，以1.5MW風力機葉片為模型，研究了濕空氣流過旋轉(zhuǎn)葉片的氣動性能，詳細分析了濕空氣流過葉片后的功率變化、葉片表面的凝結(jié)水分布。結(jié)果顯示:組分輸運模型下，濕度越大，葉片輸出功率越小，說明濕氣對葉片出力有負面

5、影響;考慮凝結(jié)后，濕度越高，含水量越大，計算功率越小;對比凝結(jié)前后葉片功率大小，發(fā)現(xiàn)所有計算工況，考慮凝結(jié)后的葉片功率較未考慮凝結(jié)時的葉片功率要高，原因是凝結(jié)發(fā)生后，空氣中的水蒸汽在葉片表面有凝結(jié)，空氣中的水含量降低，引起壓力變化，繼而影響葉片出力;通過分析葉片表面凝結(jié)質(zhì)量流率和水質(zhì)量分數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)葉片表面壓力側(cè)，從葉根到葉尖，凝結(jié)質(zhì)量流率逐漸增大，葉尖位置截面翼型靠近前緣位置處最大，該區(qū)域是最容易沾污的區(qū)域。
　　大霧天氣是高濕

6、度空氣最常見的一種，霧是由浮游在空中的小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物，因此，可將霧氣類濕空氣考慮為一定尺寸的小液滴和干空氣的混合氣體，采用歐拉兩相方法，基于歐拉壁面膜模型計算空氣中水滴在翼型和葉片表面的分布情況以及霧滴對翼型和葉片氣動性能的影響。歐拉法是將流場中的液滴看作與氣流相互滲透的擬流體來求解每一相的守恒方程，流體作為一個連續(xù)相求解時均采用N-S方程，雨滴作為離散相。計算結(jié)果顯示:計算風速條件下，隨濕度增大，風力機輸出功率減小，高溫

7、度條件下功率降低幅度大，說明濕度越大（含水量高），對功率影響越大;兩種計算風速條件下，隨濕度增大，推力整體呈減小趨勢，考慮葉片表面水滴集聚后，推力跟功率變化趨勢一樣，都是減小，進一步說明水分對氣動性能有影響;通過濕度對流場、速度、壓力影響分析發(fā)現(xiàn)，整體上，90％濕度下各截面的壓力低于50％濕度下各截面的壓力，沿葉片展向，越靠近葉尖位置，兩濕度條件的壓力差越大，含水量均布的前提下，葉片前緣正對位置水滴碰撞的頻率高。濕度變化主要影響葉片表面

8、的摩擦系數(shù)，對壓力系數(shù)的影響較小。通過翼型表面水體積分數(shù)及形成的水膜分析，發(fā)現(xiàn)水滴主要在翼型前緣正對來流區(qū)域匯集，以及翼型尾緣會有少量積聚，因此，據(jù)此推斷，在一定濕空氣條件下，該區(qū)域最容易被昆蟲或灰塵污染，是寒冷天氣下最容易結(jié)冰的區(qū)域，同時也是最容易磨損的區(qū)域，針對室外環(huán)境惡劣條件下的風力機運行葉片，葉尖部位前緣及尾緣區(qū)是重點防護的區(qū)域。
　　綜上所述，本文研究濕空氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響，從翼型到葉片，從組分模型到凝結(jié)模