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NumericalSimulationofTowerShadowEffectof-中国科学杂志社_图文

Numerical simulation of tower shadow effect of upwind horizontal axis wind turbine
孟龙, 何炎平, 赵永生, 郭子伟 and 吴俊 Citation: 中国科学: 物理学 力学 天文学 46, 46 124705 (2016); doi: 10.1360/SSPMA2016-00299 View online: http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSPMA2016-00299

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Science in China Series A-Mathematics, Physics, Astronomy & Technological Science36, 36 1347 (1993);

上风向水平轴风力机塔影效应数值模拟
孟龙、何炎平、赵永生*、郭子伟、吴俊
海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海交通大学,上海 200240 *联系人,E-mail: yongsheng@sjtu.edu.cn

国家重点基础研究发展计划(编号:2014CB046200)资助项目

摘要: 风力机塔架和叶片之间的相互作用是影响风力机气动性能的主要因素之一,本文以 美国国家可再生能源实验室(NREL)的 5MW 风力机为研究对象,使用雷诺平均纳维-斯托克 斯(RANS)方程和剪切应力输运(SST)k-ω 湍流模型,采用计算流体力学(CFD)的方法 对三叶片上风向水平轴风力机开展了塔影效应的分析研究。为了得到更加精确的模拟结果, 在模拟计算之前开展了网格无关性验证以及模型验证。模拟过程中使用了两种模型:带有塔 架的风力机模型以及没有塔架的风轮模型,通过对两种模型的模拟研究得到了塔影效应对风 力机气动特性的影响。本文同时也开展了基于动量叶素理论的方法对塔影效应的研究,并且 比较了这两种研究方法。结果表明:上风向水平轴风力机的塔影效应是非常明显的;塔影效 应的存在使风力机气动荷载出现突变,对风力机叶片和塔架都会产生不利的影响;塔影效应 的存在对风力机气动荷载的平均值影响较小, 使风轮的平均推力值下降 0.46%, 使风轮的平均 功率值下降 0.87%。本文对于进一步研究塔影效应对风力机气动特性的影响提供了一些参考。 关键词:上风向风力机;塔影效应;气动荷载;数值模拟 PACS: 47.27.Vf,47.85.Gj,51.10.+y

1 引言
近年来随着风力发电领域的不断发展,风力机气动特性的研究也逐渐成为众多学者研究的 焦点。 在风力机结构组成中, 风轮和塔架是主要的组成部分, 塔架对来流具有一定的阻挡作用, 使得塔架的上游与下游处的空气流速都会降低,从而会影响到风力机的气动性能,这种由于塔 架的阻碍作用而对风力机的气动特性产生影响的效应称为塔影效应[1]。目前,对于下风向型风 力机塔影效应的研究文献较多[2],而上风向型风力机同样存在塔影效应的问题,并且上风向型 风力机是普遍使用的风力机类型。近年来,众多学者采用多种方法对上风向水平轴风力机的塔 影效应展开了研究。Hogeon Kim 等人[3],使用非定常涡格的方法对上风向水平轴风力机的塔影 效应进行了研究,研究结果表明:塔架直径的大小对塔影效应的影响大于塔架和叶片之间的间 隙影响;叶根部分受塔架影响较大。Sean Quallen 等人[4]使用 CFD 方法研究了浮式海上风力机

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塔影效应的影响,对塔架和叶片之间的间隙对塔影效应的影响也进行了深入研究,得出了与 Hogeon Kim 一样的结论。Shy-Yea Lin[5]使用 CFD 方法从二维的角度研究了塔影效应对风力机 的影响,结果表明:叶片在通过塔架前面时,速度场被严重扭曲了,简单的势流理论不能很好 的预测塔影效应的影响。Guo, P 等人[6]使用动量叶素理论研究了塔影效应,结果指出塔影效应 会导致风力机的输出功率出现周期性的波动, 其影响远大于风切变对输出功率的影响。 Pedersen 等人[7]使用蒙特卡洛的方法展开了研究, 研究指出塔影效应对叶片的疲劳损坏产生很大的影响, 将三脚架式塔架代替单桩式塔架会降低叶片的疲劳损坏。Sintra 等人[8]使用 Matlab/Simulink 软 件进行了塔影效应的研究,指出在进行塔影效应的模拟过程中,风速的模拟是非常关键的。范 忠瑶等人[9]采用 NUMECA 商用软件 FINETM/Turbo 对上风向型风力机 DF90 的三维风轮叶片和 塔架模型进行非定常数值模拟,他主要研究了由于塔影效应而导致的叶片受力波动情况,并没 有深入研究风轮功率的变化情况以及载荷的平均值变化情况。 本文采用 CFD 方法和动量叶素理 论两种方对塔影效应开展了研究,并对这两种研究方法的差异进行了分析。

2 数值模型
2.1 控制方程 本文中 CFD 方法被用来研究风力机的塔影效应,连续性方程以及动量方程是其控制方程, 如下式所示:
?ui ?xi ?0

(1)

?ui ?t

? uj

?ui ?x j

??

1 ?p

? ?xi

?v

? 2 ui ?xi ?x j

?

?u 'i u ' j ?x j

(2)

参考坐标系采用右手坐标系, 如图 1 FAST 软件模拟塔影效应的风速表达式[10]如下式所示。 所示。
V ( x , y ) ? Vh ? v1 ( x , y )
v1 ( x, y ) ? V0 a 2 x2 ? y2 ( x2 ? y 2 )2

(3) (4)

式中,V 0 为空间平均风速,V h 为轮毂高度处的风速, a 为塔架的半径, x 为桨叶微元到塔 架轴线的 x 方向上的距离, y为桨叶微元到塔架轴线的 y方向上的距离, v1 ( x , y ) 为塔影效应对 风速施加的变化扰动。 2.2 湍流模型 进行模拟计算时,湍流模型的选择是非常重要的。雷诺应力湍流模型( Reynolds Stress

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turbu ulence model)适合应用与 ) 与复杂流体,但 但是其精度不 不高[11]。 k ?? 湍流模型可 以很好的模拟 拟远 离粘 粘性边界层区域 域的流动,k ?? 湍流模型 适合模拟边界 界层处的流动 动。 剪切应力输 输运 (shear-st tress trans sport,SST) k ?? 湍流模型结合了 k ? ? 和 k ?? 两种 种湍流模型的 的优势,因此在 在风力机气动 动荷 载模 模拟中被广泛采 采用[12,13]。 基于密度修正 正的 SST k ?? 湍流模型的 的动态粘度表 表达式[14]如下式所示:
f ? ?m ? k
n ? ? ?? ?? ? ? ? v ? ? m v ? ? ?l ? ? v ? ? k ? ? ? ? l ? ? v ? ? ?

?T ?

?

?

1

? 1 SF2 ? m max ? , ? ? ? c? a a1? ?
n

?

(5)

? 1 SF2 ? , max ? ?? ? ? ? c? a a1? ?

f

?? ? ?
m

?v ? ?

? ?m ? ?v ? ? ??l ? ?v ? ? ?l ? ?v ?

(6)

SST k ?? 湍流模型的输运 湍 运方程如下式 式所示:
? ??k ? ?t ? ? ? ? ui k ? ?x i ? ? ?x j

??k ?
?

? ?k ? ?x j

? G k ? Yk ? S k

(7) (8)

? ? ?? ? ?t

?

? ? ? ui ? ? ? xi

?

?x j

? ?? ?

? ?? ? ?x j

? G? ? Y? ? D? ? S ?

2.3 计算模型 本文使用的风 风力机为 NR REL 5MW 风 风力机,风力机 机叶片以及整 整体几何模型如 如图 1 所示,风 机叶片采用了多 多种翼型,所 所采用的叶片 片的各个截面的 的详细信息可 可参考文献[15 5,16]。本文所 所使 力机 用的 的坐标系为右手 手坐标系。风 风吹向 y 轴的 的正方向,x 轴在水平面处 轴 处与 y 轴垂直, ,z 轴垂直向上。 风力 力机的基本参数 数如表 1 所示 示。

图 1 NREL 5 5MW 风力机叶 叶片及整体模型 型 Figur re 1 NREL 5MW W wind turbine e blade and who ole model

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表 1 风力机的基 基本参数 Table.1 Parameters of wind w turbine 项目 额定功率 叶片数量 风力机方向 风轮仰角和 和锥角 轮毂直径 轮毂高度 参数 5MW 3 上风向 5°,2.5° 3m 90m 项目 叶片直径 额定风速 额定转速 塔架顶部距离水平面的高度 塔架底部直径 塔架顶部直径 参数 数 126 6m 11.4 4m/s 1rpm 12.1 6m 87.6 6m 3.87 7m

+ 软件进行塔 塔影效应模拟 拟计算时,计算 算域的大小为 为 1000m ( 长 ) ? STAR-CCM+

600m (宽) ?

370 0m (高),分为 为外域和旋转域 域。 外域的上 上游边界设置为 为速度进口, 下游边界设置 置成压力出口 口,
静压 压力为海平面压 压力,外域四 四周的边界为 为对称边界。采 采用刚体运动 动技术(Rigid d Body Motio on, RBM M)来模拟旋转域,旋转域 域和外域之间 间生成边界网格 格以此进行信 信息的传递。以风力机风轮 轮旋 转平 平面的圆心为基 基准点,速度 度进口边界距 距离基准点为 2.5 倍的风轮 轮直径,压力 出口边界距离 离基 准点 点为 5.5 倍的风 风轮直径。为 为了能够更加 加精确的研究塔 塔影效应,需 需要对计算域进 进行加密处理 理, 从图 图 2 中可以清楚 楚的看出加密 密情况,叶片 和塔架的表面 面设置 12 层边 边界层,总厚 厚度为 0.02m,增 长率 率设置为 1.2,网格数量为 604 万。在非 非稳态模拟过 过程中,时间步 步长设置为风 风轮旋转 1°所 所需 要的 的时间,取为 0.02s,最大迭 迭代步数为 2 25,模拟时长 长 100s。

(a)

(b)

(a)计算 算域,(b)计算 算网格 图2计 计算域以及计算 算网格 (a) calculation regions, (b) cal lculation grids Figure 2 Cal lculation region ns and grids

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3计 计算结果及分 分析
本小节首先采 采用 STAR-C CCM+软件进 进行模拟计算,然后进行了 了 FAST 软件 件和 STAR-CC CM+ 软件 件的对比模拟研 研究。 下图展示了风 风力机模型中 中叶片和塔架 架的截面压力云 云图,(a)为叶 叶片刚刚进入塔 塔影区未达到 到最 低点 点时的气动特性 性,可以看出 出此种情况下 下塔架的气动荷 荷载是不对称 称的,塔架所受 受到的压力在 在叶 片侧 侧较小,这是由 由于塔架前方 方叶片的阻挡 挡作用造成的。 。(b)为叶片运 运行至最低点 时的情况,叶 叶片 处于 于塔架的正前方 方,此时塔架 架的气动荷载 载呈对称分布。 。(c)为叶片刚 刚刚离开最低 点,此时塔架 架的 受力 力是不对称的。

(a)

(b) (

(c)

(a)叶片运行至最低点之前,(b) )叶片运行至最 最低点,(c)叶片 片运行超过最低 低点 图 3 风力机模型 中叶片和塔架的截面压力云图 ( (a) before runni ing to the lowes st point , (b) run nning to the low west point, (c) after a running to the lowest poin nt Figur re 3 Pressure sc calar figure of to ower and blade e section in the wind w turbine m model

下图展示了风 风力机模型中 中塔架的压力 力云图,此时的 的工况为叶片 片运行至塔架 的正前方。(a a)为 塔架 架背风侧的荷载 载分布,(b)为塔架迎风侧 为 侧的压力云图, ,从图中可以 以看出叶片的 阻挡作用是很 很显 著的 的,在塔架底部 部,由于没有 有叶片的阻挡 挡,使得塔架受 受力较大,在 在塔架的中部 ,由于叶片的 的旋 转作 作用,使得流速 速较大,根据 据伯努利方程 程可知,塔架中 中部压力较低 低,在轮毂处 由于较低的风 风轮

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转速 速,使得塔架顶 顶端压力较大 大。(c)和(d)为 为塔架两侧的 的压力云图,由 由于叶片处于 于塔架的正前 前方, 塔架 架两侧的压力呈 呈现对称式的 的分布。

图 4 风力 机模型中塔架压力云图 Figure 4 Pr ressure scalar fi igure of tower in i the wind turb bine model

在叶片运行至 至最下端时,即运行时塔 塔架正前方时, ,得到下图所 所示的压力和速 速度云图。从 从图 中可 可以看出,由于 于塔架的阻挡 挡作用,使得 得叶尖外侧压力 力增大,叶片 片和塔架之间压 压力降低;塔 塔架 对上 上游和下游的风 风场都产生了 了较大的影响 响。

(a)

(b)

(a)压力 力云图,(b)速度 度云图 图 5 塔 影区压力和速 速度云图 (a) pressu ure scalar, (b) sp peed scalar Figure 5 Press sure and speed scalar in the region of tower shadow effect

下图展示了叶 叶片在 Y 方向 向的受力以及 及风轮的推力。(a)为监控的 的一个叶片受 受力情况图,在 在没 有塔 塔架影响的情况下,由于风 风轮锥角、仰 仰角的存在以及不同位置处 处叶片的旋转 转线速度的不同,

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使得 得单个叶片所受 受到的 Y 方向 向的力呈现出 出按正弦曲线变化的规律。在风力机模 模型中,由于塔 塔架 的存 存在,改变了叶 叶片前方的流 流场,使叶片 片进入塔影区时 时出现了力的 的突变,这种力 力的突变就是 是塔 影效 效应的表现,在 在叶片运行时 时,这种载荷 荷突变周期性的 的出现。从载 载荷的大小方面 面进行研究,可 以得 得出塔影效应对 对载荷的平均 均值影响较小 小的结论。 风力 力机模型模拟 拟得出的 Y 方 向受力大小的 的平 均值 值为 217.57kN, 风轮模型得 得出的结果为 2 218.93kN, 风力机模型的结 结果与风轮模 模型相比小 0.6 62%。 (b)为 为风轮的推力情况, 在风力 力机模型中, 整 整个风轮中含 含有三个叶片, 在风轮的一个 个运行周期内 内, 出现 现了三次气动荷 荷载的突变,风轮推力平 平均值为 651.3 38kN。在风轮 轮模型中,三个 个叶片的受力 力都 呈现 现出正弦规律的变化,三个 个正弦曲线的 的叠加使得风轮 轮模型中的风 风轮推力保持不 不变,风轮的 的推 力值 值为 654.38kN N,风力机模型 型的结果与风 风轮模型相比小 0.46%。由 由于塔影效应 的存在,单个 个叶 片在 在通过塔架时, ,气动荷载出 出现了下降现 现象,这与文献 献[17]中的结论是一致的。 。

(a)

(b)

(a)一个叶 叶片的受力,(b)风轮推力 图 6 叶 片受力及风轮 轮推力图 (a) force of on nly one blade, (b) ( rotor thrust Fig.6 Force of o one blade an nd rotor thrust under u two differ rent models.

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下图展示的是 是风轮的功率 率值。(a)为 S STAR-CCM+中对两种模型 中 型进行的功率模 模拟研究,风 风力 机模 模型得到的风轮 轮功率的平均 均值为 4938.5 56kW,风轮模 模型得到的功 功率平均值为 4981.76kW,风 现象是非常明 力机 机模型的结果与 与风轮模型相 相比小 0.87% %。但是,在风 风力机模型中 中,塔影效应现 明显 的,并且在非塔影 影区功率出现 现了略微下降 降的现象,这是 是由于风轮锥 锥角和仰角的存 存在造成的。(b) 为S 拟得出的风轮 STAR-CCM+和 FAST 软件 件对风力机模型 型展开的功率 率比较研究, FAST F 软件模拟 轮功 率平 平均值为 513 32.45kW , ST TAR-CCM+ 模 模拟的风轮平 平均功率为 5087.99kW , F FAST 的结果 果比 STA AR-CCM+得出 出的结果大 0. .87%。

(a)

(b)

(a)两种模型下 下的风轮功率, ,(b) STAR-CC CM+和 FAST 风轮功率对比 风 图 7 风轮功率图 图 (a)roto or power of two o models, (b) po ower compariso on between SAT TR-CCM+ and F FAST Fi ig.7 Rotor powe er

模拟出的风速与 与 FAST 软件 件计算得出的 的风速如下图所 所示,从图中 中可以看出,两者 CFD 方法模 风速 速存在一定的差 差异。FAST 软件模拟风 风速采用的是方 方程(3)和(4) ,模拟结 结果显示塔影 影区域 较小 小且变化剧烈。塔影内的速 速度在 CFD 方 方法中是直接 接计算获得,从 从图中比较可 可知,CFD 方法模 方 拟出 出的风速更接近 近实际情况。

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图 8 风速对比图 图 Fig.8 Win nd speed compar arison between FAST F and STAR-CCM+

FAST 软件模 模拟的结果和 和 STAR-CCM M+软件模拟的 的结果虽然存在 在一定的差异 异,但是两者 者的塔 影效 效应趋势是一致 致的。

4结 结论
本文以 5MW W NREL 风力机为研究对象 象, 采用了 ST TAR-CCM+软件以及 软 FAST T 软件进行模 模拟, 主要 要研究了叶片和 和塔架之间的 的相互影响, 模拟结果表明 明:1,上风向水平轴风力 力机的塔影效 效应显 著;2,塔影效应 应的存在对气动荷载平均值 值的影响较小 小,风力机模型 型与风轮模型 型的结果相比 比误差 小于 于 1%;3,尽 尽管塔影效应对 对于平均气动 动荷载影响不 不大,但对于瞬 瞬时压力特性 性有显著影响 响,在 一个 个风轮旋转周期 期内有三个脉 脉冲从而导致 致叶片和塔架振 振动,影响叶 叶片和塔架的 疲劳寿命;4,不 同软 软件模拟得出的塔影效应趋 趋势是一致的 的。

参考 考文献
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Numerical Simulation of Tower Shadow Effect of Upwind Horizontal Axis Wind Turbine
MENG Long, HE YanPing, ZHAO YongSheng*, GUO ZiWei, WU Jun
1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University. 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration. Shanghai, China

The tower-blade interaction is one of key reasons that would seriously affect the wind turbine aerodynamic performance. Simulation of tower shadow effect for a three bladed, upwind offshore wind turbine using Star-ccm+ software is researched. The model of National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5MW baseline wind turbine is used in this simulation by computational fluid dynamics (CFD) method. Based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the shear-stress transport (SST) k-ω turbulence model, aerodynamic simulations for NREL 5MW turbine have been studied. Model validation and grid-independence verification are conducted in order to have more accurate results. The aerodynamic simulations of wind turbine model with tower and rotor model without tower are carried out separately. The impacts of tower shadow effect on aerodynamic performance are obtained by comparison of two models. The method of Blade Element

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Momentum (BEM) is also used to study tower shadow effect, and two research methods are compared. Simulation results demonstrate that the tower shadow effect is remarkable. Mutation caused by tower shadow effect of aerodynamic performance is emerged and it will cause some adverse results not only for blades but also for tower. Impact of tower shadow effect on average value of wind turbine aerodynamic load is not significant. As is shown by simulation results, average thrust of wind turbine is declined by 0.46% and average power is declined by 0.87%. This paper can provide some references for further research about the influence of tower shadow effect on aerodynamic performance. upwind wind turbine; tower shadow effect; aerodynamic load; numerical simulation PACS: 47.27.Vf,47.85.Gj,51.10.+y

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