濕空氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究.pdf

1、風(fēng)力發(fā)電由于其發(fā)電成本低和對(duì)環(huán)境影響小是一種最有前途的清潔能源。海上風(fēng)資源好、電容量大、效率高，已成為全球風(fēng)電發(fā)展的最前沿方向。與此同時(shí)，惡劣的海洋環(huán)境制約著海上風(fēng)電的發(fā)展，強(qiáng)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(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)及葉片表面造成損害，影響機(jī)組安全，增加運(yùn)行維護(hù)成本。海洋環(huán)境濕度較大，我國(guó)渤海灣長(zhǎng)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(huì)引起水汽發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。凝結(jié)不僅會(huì)改變翼型表面

2、附近的壓力、溫度等流動(dòng)參數(shù)，甚至還會(huì)導(dǎo)致翼型升力、阻力特性發(fā)生改變，影響其氣動(dòng)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(huì)影響風(fēng)力機(jī)葉片的功率輸出。因此，研究高濕度條件下風(fēng)力機(jī)翼型及葉片的氣動(dòng)性能對(duì)海上風(fēng)力機(jī)翼型優(yōu)化、提高發(fā)電效率具有重要意義，同時(shí)將為葉片預(yù)防粘污及結(jié)冰提供一定的理論基礎(chǔ)。
　　數(shù)值研究濕空氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)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(duì)翼型及葉片氣動(dòng)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(yùn)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(dòng)特性;其次在輸運(yùn)模型基礎(chǔ)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(shí)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(dòng)性能。計(jì)算結(jié)果顯示:不考慮凝結(jié)時(shí)，濕度變化對(duì)翼型氣動(dòng)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(dāng)發(fā)生凝結(jié)時(shí)，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(diǎn)附近凝結(jié)量最大;相同攻角時(shí)，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(fēng)力機(jī)葉片為模型，研究了濕空氣流過旋轉(zhuǎn)葉片的氣動(dòng)性能，詳細(xì)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(yùn)模型下，濕度越大，葉片輸出功率越小，說(shuō)明濕氣對(duì)葉片出力有負(fù)面

5、影響;考慮凝結(jié)后，濕度越高，含水量越大，計(jì)算功率越小;對(duì)比凝結(jié)前后葉片功率大小，發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算工況，考慮凝結(jié)后的葉片功率較未考慮凝結(jié)時(shí)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?jǐn)?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(jì)算空氣中水滴在翼型和葉片表面的分布情況以及霧滴對(duì)翼型和葉片氣動(dòng)性能的影響。歐拉法是將流場(chǎng)中的液滴看作與氣流相互滲透的擬流體來(lái)求解每一相的守恒方程，流體作為一個(gè)連續(xù)相求解時(shí)均采用N-S方程，雨滴作為離散相。計(jì)算結(jié)果顯示:計(jì)算風(fēng)速條件下，隨濕度增大，風(fēng)力機(jī)輸出功率減小，高溫

7、度條件下功率降低幅度大，說(shuō)明濕度越大（含水量高），對(duì)功率影響越大;兩種計(jì)算風(fēng)速條件下，隨濕度增大，推力整體呈減小趨勢(shì)，考慮葉片表面水滴集聚后，推力跟功率變化趨勢(shì)一樣，都是減小，進(jìn)一步說(shuō)明水分對(duì)氣動(dòng)性能有影響;通過濕度對(duì)流場(chǎng)、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(duì)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(duì)壓力系數(shù)的影響較小。通過翼型表面水體積分?jǐn)?shù)及形成的水膜分析，發(fā)現(xiàn)水滴主要在翼型前緣正對(duì)來(lái)流區(qū)域匯集，以及翼型尾緣會(huì)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(shí)也是最容易磨損的區(qū)域，針對(duì)室外環(huán)境惡劣條件下的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行葉片，葉尖部位前緣及尾緣區(qū)是重點(diǎn)防護(hù)的區(qū)域。
　　綜上所述，本文研究濕空氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)性能影響，從翼型到葉片，從組分模型到凝結(jié)模