可变桨距水平轴风力涡轮混合型流场算法与性能研究

　　0　引　言

　　水平轴流风力涡轮(简称HAWT)将空气动能转化为机械能,由于来流风速和工作转速是变化的,因此需要自动调节叶片桨距(叶片的迎风角度),以获得高气动力品质和输出最大轴功率。它的气动性能计算与分析基本上采用螺旋桨/旋翼理论。从早期的动量-叶素理论、Goldstein的片条理论到近期的升力线方法,均是如此。这些方法需诸多简化假设[1]和实验数据作基础,没有考虑叶片三维气动效应对HAWT性能的影响。例如升力线算法,用弦线代替中弧线,用升力线代替桨叶,将桨叶上变强度的附着涡拖曳出的螺旋形尾涡分成微段,用Biot-Savart定理计算其诱导速度,求解桨叶上的环量分布,获得其升力。但对于高速来流工况,在翼型弯度较大时,由于分子粘性力和湍流脉动引起的雷诺应力共同作用,在桨叶尾缘、叶尖及其叶表面附面层等极其狭小的区域,气流参数剧烈变化,梯度大,形成内各种涡系与二次流动等复杂的气动现象,如气流的分离和重新附着、自由流与主流的相互干涉、气流本身固有的非定常性等。采用无粘滑移边界假设的升力线方法[2、3、4],因不考虑粘性和压缩性,理论上存在的缺陷和计算精度的不足,使计算结果与实验结果相差很大。这种方法也不能考虑由孤立翼型叠加形成的三维叶片受径向分力与自由流外边界的影响产生的三维效应,因此无法满足高性能HAWT发展的需要。

　　对于风力涡轮,受自由流的影响,桨叶尖部旋转边界的流动不同于具有涵道或外机匣的涡轮叶尖泄露二次流,作为带旋转坐标系的内外混合型流场更具复杂性。本文选用具有高数值稳定性的代数Baldwin-Lomax湍流模型,采用压力基方法、有限体积差分格式、二阶精度中心差分法、四阶显式Runge-Kutta法和多重网格及隐式残差光滑加速收敛技术并引入二阶和四阶人工粘性,求解风力涡轮全三维流场,分析流动特性。

　　算例为国内自行研制的某型HAWT,装有桨距自动调整装置,桨叶可根据来流状态和工作转速调整到最佳迎风角度。桨叶选用小弯度、升力系数大的ARA-D叶型。

　　1　数值模拟方法

　　1.1　主控方程

　　柱坐标系以定角速度ω转动的旋转机械三维可压缩雷诺平均N-S守衡方程的无量纲积分形式为[5]:

　　w,u, v———分别表示z, r,θ三个方向的速度分量;ρ———密度;H———转子焓;τij———粘性应力张量的九个分量;qi———热通量;R———雷诺数,则式中各变量为:

　　粘性应力各分量引入等效粘性系数μef=μc+μt。其中μc———分子粘性系数,由Sutherland公式确定;μt———湍流粘性系数,由湍流模型给出。引入等效导热系数λef,由傅立叶导热定律求出热通量qi。补充空气的状态方程p=ρRT,即可耦合方程组求解。