双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.005双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究杨瑞，杨涛，曾学仁?,方亮”，包广超”，田楠？（1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州7 30 0 5 0；2.中国三峡新能源（集团）股份有限公司甘肃分公司，甘肃兰州7 30 0 5 0）摘要：为了研究双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能的影响，以NRELPhaseVI风力机叶片为模型，采用CFD方法分别对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共10 种模型进行模拟，分析其在不同风速、转速下对风力机叶片气动性能的影响。计算结果表明,所有不同高度参数双排涡流发生器在不同转速、来流风速时,均能提升风力机叶片气动性能,改善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时，双排涡流发生器整体流动控制效果最好，即最佳高度参数Case 4（第一排涡流发生器高度3mm,第二排涡流发生器高度9 mm）前低后高组合。同时,最佳高度参数双排涡流发生器和单排涡流发生器相比能进一步延迟流动分离,取得更好的流动控制效果。关键词：风力机；数值模拟；涡流发生器；气动性能中图分类号：TH138;TK83The Influence of Double Row Vortex Generator Height Parameters onYANG Rui,YANG Tao,ZENG Xue-ren,FANG Liang,BAO Guang-chao,TIAN Nan?(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Gansu Branch of China Three Gorges New Energy(Group)Company Limited,Lanzhou 730050,China)Abstract:In order to study the influence of the height parameters of the double-row vortex generator on the aerodynamic performance of thewind turbine,the NREL Phase VI wind turbine blade is used as the model,and the CFD method is used to simulate the installation of thesingle-row vortex generator and the double-row vortex generator with different height parameters.A total of 10 models were simulated to analyzetheir effects on the aerodynamic performance of wind turbine blades at different wind speeds and speeds.The calculation results show that alldouble-row vortex generators with different height parameters can improve the aerodynamic performance of wind turbine blades and improve theflow field of wind turbines at different speeds and incoming wind speeds.Among them,when the height difference between the first row ofvortex generators and the second row of vortex generators is larger,the overall flow control effect of the double-row vortex generators is the best,that is,the best height parameter case 4(the height of the first row of vortex generators is 3 mm,and the height of the second row of vortexgenerators is 9 mm).At the same time,the optimal height parameter double-row vortex generator can further delay the flow separation andachieve better flow control effect than the single-row vortex generator.Key words:wind turbine;numerical simulation;vortex generator;aerodynamic performance0引言风力机是将风能转换为机械能的装置，叶片是最重要的组成部分之一 。为了提高风力机的输出功收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 0基金项目：国家自然科学基金（5 19 6 5 0 34)作者简介：杨瑞（19 7 0-）,男，河南南阳人，教授,博士,研究方向：风力机空气动力学。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 2 3-0 7Wind Turbine Aerodynamic Performance率,捕获更多的风能,有必要优化叶片的气动性能,进行高效的流动控制。目前，国内外已有部分学者对涡流发生器展开了研究,韩章敬等 2 对涡流发生器的形状和高度进行研究,发现加装高度7 mm的梯形涡流发生器时,翼型升力系数最大，提升翼型气动性能最优。JOHANSEN等 3 通过设置对称边界与周期性边界条件,分析了不同边界条件对加装涡流发生器的风力机叶片气动性能数值模拟的影响。WANG等 4 利用粒子群优化算法，对风力机翼型与涡流发生器整体化设计，23液压气动与密封/2 0 2 4 年第3期从而使新的风力机翼型最大升力系数提高了9.3%，升阻比提高了7.5%。江瑞芳等 5 采用CFD数值模拟，研究了不同来流风速下,加装涡流发生器的 Phase VI风力机气动特性，发现涡流发生器能显著改善叶片表面的流动分离，减小分离涡强度、高度，使分离点后移。PAULEY6研究了涡流发生器不同间距下产生的涡旋场，发现不同的涡流发生器间距对涡旋环流具有显著影响。杨劲等 7 使用转模型对7 5 0 kW定桨距风力发电机叶片安装相同尺寸的涡流发生器进行研究，分0.25R(a）安装双排涡流发生器的叶片(a)Blades with double rows of vortex generatorsB析了涡流发生器控制流动分离的规律与机理，并将模拟结果实际运用于风力发电机组中，使得机组年发电量增长5.6 9%。张磊等 8 对风力机专用翼型加装双排涡流发生器进行实验研究，未得到满意的结果。张惠 9 以风力机专用翼型DU93-W-210为模型，实验研气流究单排、双排涡流发生器，发现双排涡流发生器有着更好的流动控制效果。还有学者对安装涡流发生器翼段动态失速和参数化建模进行了相关研究 10-1O综上所述,关于涡流发生器的研究主要集中于单排涡流发生器，对于双排涡流发生器的研究仅局限于翼型段,并没有更加深入地考虑双排涡流发生器各种几何参数对风力机气动特性的影响。同时，也没有考虑风力机实际运行过程中受到离心力、科氏力作用而产生的三维旋转效应影响。因此，本研究考虑三维旋转效应耦合作用时，对双排涡流发生器前后排高度参数进行较为系统的研究，探究出最佳双排涡流发生器前后排高度参数，为实现高效的流动控制提供相应的数据参考。1数值模拟方法1.1研究内容本研究以NRELPhaseVI风力机叶片为模型,该风轮半径5.0 2 9 m。由于分离流动区域首先发生在叶片根部,并且流动分离较大，因而将涡流发生器安装在叶片展向0.2 5 R0.6R处，弦向方向第一排涡流发生器安装在2 0%c（c 是该处翼型弦长）、第二排涡流发生器安装在4 0%c,如图1a所示。涡流发生器选择的是三角形结构,其高度H=5 mm、弦长 L=17 mm,人流角=16.4,2个相邻的涡流发生器对之间的距离为入=5H=25mm,每对涡流发生器翼尖的距离为S=2H=10 mm,如图 1b 所示。数值计算包括原始叶片、单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器共11种模型，如表1所示。24S(b)涡流发生器儿何参数(b)Geometric parameters of vortex generator图1研究对象Fig.1Research object表1双排涡流发生器高度参数计算算例Tab.1Double row vortex generator height parametercalculation example几何参数方案生器高度H生器高度H,原始模型Caseo单排涡流发生器CaselCase2Case3Case4Case5双排涡流发生器Case6Case7Case8Case9Case101.2网格与计算域本研究使用ANSYS ICEM非结构化网格方法，生成了3种不同网格数来验证网格无关性，如表2 所示，L第一排涡流发第二排涡流发6333666999mm369369369Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024可以看出,方案(b)和方案（c)的实验转矩值与模拟转表3双排涡流发生器不同高度参数风力机输出转矩矩值吻合良好，考虑计算时间和精度，网格划分最终采Tab.3Output torque of wind turbine with different height用方案(b)。parameters of double row vortex generator转速表2 网格无关性验证CaseI min 1Tab.2Grid independence verification方案风速/m s-1EXP(a)(b)(c)计算域的人口离风轮是5 D(D为风轮直径,m）,设置格式为速度进口条件；出口离风轮是10 D,使尾流充分发展，设置格式为远端压力场，通常为标准大气压；壁面与风轮的距离为2.5 D,设置格式为特殊壁面；计算域分为旋转域、静止域，通过设置Interface来传递数据；叶片表面设置为无滑移壁面，计算域如图2 所示。压力出口11速度入口5D图2 计算域示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation domain2结果与分析2.1风力机输出转矩分析在恒定风力机转速下，风力机转矩与输出功率呈现正向增长规律,因而，可以通过研究风力机转矩来反映其输出功率情况，其计算模拟算例如表1所示。从表3中可以看出,在来流风速，风力机转速恒定的情况下,单排涡流发生器和不同高度参数的双排涡流发生器对风力机输出转矩有着不同的影响。其中，单排涡流发生器Case1输出转矩与双排涡流发生器Case6接近。随着风速和转速增大,Case 1与Case 6输出转矩和转矩变化量随之增大，但Case6转矩变化量明显大于Case1转矩变化量,这反映出双排涡流发生器随风速和转速的增大，流动控制效果较单排涡流发生器会更好。速度ms110网格总数转矩/Nm无13498.65 1061176101.22 1071.58 107风轮10D输出转矩转矩变化量Nm%129872.11301391.015129810130572.1191.072.1291.072.1391.072.149172.1591.072.1691.072.1791.012741979208214171314691322921523261013591314211322481523691013961314501323161524581014821315861324091525871013841314601323061523901014161314991323141524761014281315211323471524919.1715.3115.8211.724.7011.5413.5913.787.5513.8117.0318.0614.1824.4921.7324.266.6314.6016.5214.799.0917.6616.9318.9210.0219.3918.6019.6425casel液压气动与密封/2 0 2 4年第3期(续表3)转速速度CaseI:min=172.1891.072.1991.072.11091.0在风力机转速 7 2.1 r/min,来流风速10 m/s 时,Case4的风力机输出转矩提升最大,其转矩变化量为14.18%，其次为Case7，其转矩变化量为10.0 2%。可以看到,将第一排涡流发生器高度与第二排涡流发生器高度单独分析时,在第一排涡流发生器高度一定时，随着第二排涡流发生器高度的增加,其风力机输出转矩也在不断提高,并在第二排涡流发生器高度为9 mm时,输出转矩最大。而当第二排涡流发生器高度一定参数计算模拟算例均提升了风力机输出转矩和转矩变输出转矩转矩变化量ms1Nm101376131392132250152355101373131410132254152368101379131396132253152373化量，其双排涡流发生器最佳的高度参数依然为%Case4,转矩变化量为2 4.49%。6.01当风力机转速9 1 r/min,来流风速13m/s时,随着风力机转速增大,同一来流风速下，双排涡流发生器不9.26同高度参数计算模拟算例输出转矩均随之增大。其双13.69排涡流发生器高度参数规律也呈现第一排涡流发生器13.11与第二排涡流发生器高度存在最大高度差（前低后高)5.78时，风力机输出转矩提升效果最好，即第一排涡流发生10.68器最佳高度为3mm,第二排涡流发生器最佳高度为13.909mm的Case4组合，转矩变化量为2 1.7 3%。当来流13.74风速为15 m/s 时,随着来流风速的增大,双排涡流发生器不同高度参数计算模拟算例的风力机输出转矩进一6.24步增大,最佳高度参数组合任然为Case4。9.58综上所述,双排涡流发生器所有高度参数组合均13.85能提升风力机的输出转矩,提升其气动性能,其中第一13.98排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时，双排涡流发生器整体流动控制效果最好，即最佳高度参数Case 4前低后高组合。其次,双排涡流发生器在高转速、高风速时，流动控制效果较单排涡流发生器有着更大优势。ase时,风力机输出转矩随第一排高度的增加,呈现先增大aSE后减小的趋势,在第一排涡流发生器高度为6 mm时,其提升输出转矩效果最好,这表明第一排涡流发生器case高度并不是越高越好,而是存在一个最佳值。但将第一排涡流发生器高度与第二排涡流发生器高度结合在一起分析时,第一排涡流发生器最佳高度为6 mm,第二排涡流发生器最佳高度为9 mm的Case7组合其提升输出转矩效果并不是最优,反而是第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度存在最大高度差时，即第一排涡流发生器最佳高度为3mm,第二排涡流发生器最佳高度为9 mm的Case 4组合（前低后高），其输出转矩提升效果最好。同时,也可以看到,在Case 8中，虽然第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度存在着与Case 4一样的最大高度差,但由于第一排涡流发生器高度过高，导致第二排涡流发生器未产生流动控制效果,影响双排涡流发生器整体的作用效果。当来流风速增大为13m/s时,其双排涡流发生器不同高度26casescasel(a)Q=72.1 r/min,v=10 m/s图3叶片吸力面极限流线图Fig.3 Limit streamline diagram of bladesuction surface2.2口叶片吸力面极限流动分析从图3中可以看到，加装单排、双排涡流发生器能有效抑制沿叶片弦向和沿叶片展向的分离流动，增大叶片附着流动面积。在图3a风力机转速7 2.1r/min，(b)Q=91 r/min,v=15 m/sHydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024来流风速为10 m/s时,原始叶片的根部和中部后缘区对风力机叶片气动性能的影响,本节选择沿叶片展向域处于流动分离状态。加装Case 1组合后,叶片分离方向30%，47%和6 3%共3个截面，分析其截面翼型流区域减小,分离点后移,与第一排涡流发生器相同高度线图，更好地展现叶片流场情况。同时，由上一节计算的Case 5相比,流动控制效果相似。随着第二排涡流数据分析和叶片吸力面极限流线图可知,Case4、C a s e 7发生器高度增大,Case 6、C a s e 7 流动控制效果增强，附组合流动控制效果好，风力机输出转矩提升最显著，因着流动面积进一步增大。可以看出，在第一排涡流发而,本节选择Case 4、C a s e 7 组合进行详细分析。生器高度相同时，双排涡流发生器作用效果更好。加在图4中,Case0组合截面中可以看到,沿叶片展装Case2组合后,叶片流动分离得到抑制,前缘分离点向30%，47%，6 3%截面翼型的尾缘区域均存在流动分被推迟，同时沿叶片展向的分离流动减弱，仅分布与叶离,其中47%截面翼型的流动分离现象最为剧烈。在片后缘区域。从Case 2组合到Case 4组合明显看到，Case 1、C a s e 4、C a s e 7 组合截面,分别加装单排、双排涡第一排涡流发生器高度恒定时,随着第二排涡流发生流发生器后翼型的分离流动得到了明显抑制，其中器高度的增加,叶片分离流动进一步被抑制,叶片附着Case1组合在30%，47%,6 3%截面处，分离点均后移，流面积不断增大,尤其是Case 4 组合,叶片除叶根有轻翼型附着流动面积显著增大，但较Case 4、C a s e 7 组合微失速外,其他分离流动完全被抑制,在Case 5组合到流动控制效果较差。Case4组合30%截面仅尾缘有轻Case7组合中依然保持着该规律。当第二排涡流发生微流动其余截面均处于附着流动状态，结合图3，叶片器高度恒定时,对比Case2组合与Case5组合，可以发吸力面的流动分离被完全抑制，仅叶根有轻微流动分现，随着第一排涡流发生器高度增加，叶片流动分离区离。Case 7组合中存在分离流动的截面仅为靠近叶根域被进一步抑制，但进一步抑制效果比较微弱。在区域的30%，47%处截面翼型，较Case0组合，其6 3%Case8组合到Case 10组合中，由于第一排涡流发生器截面翼型分离流动完全被抑制，分离流动最严重的高度过高,影响了第二排涡流发生器流动控制效果，使47%处截面翼型的分离点被显著往后推移,分离涡高得这3个组合的作用效果并未随着第二排涡流发生器度和强度明显减弱。高度的增加而发生变化。在图3b风力机转速9 1 r/min,来流风速为15 m/s时，原始叶片分离流动更加剧烈，双排涡流发生器整体流动控制效果较低转速、低风速时，略微减弱，但整体流动控制效果较同高度单排涡流发生器更好。在Case 2组合到Case 7组合中,双排涡流发生器呈现着与低转速、低风速时相似的流动控制规律，即第一排涡流发生器高度恒定,随着第二排涡流发生器高度的增加,叶片前缘分离流动点不断被推迟，分离强度不断减弱,流动分离线向叶根和叶片后缘后移。在第二排涡流发生器高度恒定，第一排涡流发生器高度增加时，双排涡流发生器流动控制效果改善微弱。同时，第一排涡流发生器高度过高时，依然会影响第二排涡流发生器控制效果。综上,在双排涡流发生器各高度参数中,Case 4 组合流动控制效果最优，同时，进一步验证了第一排涡流发生器与第二排涡流发生器高度差越大时（前低后高），双排涡流发生器整体流动控制效果会更好的结论。也进一步证明了双排涡流发生器比单排涡流发生器有着更好的流动控制效果。2.3叶片各截面翼型流线图对比分析为进一步更加直观展示双排涡流发生器高度参数Case0Case 0Case 0图4叶片各截面翼型流线对比图（2=7 2.1r/min，Fig.4Comparison of airfoil streamlines of each sectionof blade(2=72.1 r/min,V=10 m/s)图5中,在高转速、高风速工况下,Case0组合的叶片分离流动更加剧烈,加装单排、双排涡流发生器后各截面翼型气动性能均得到明显改善。在 Case 7组合27Case1(a)0.3RCase 1Case 4(b)0.47RCase1Case 4(c)0.63RV=10 m/s)Case 4Case7Case 7Case 7液压气动与密封/2 0 2 4年第3期中,30%，47%，6 3%截面翼型的分离涡明显减弱，分离点从翼型前缘推移到翼型后缘,附着流动面积明显增大,较Case1组合各截面翼型流场进一步改善。Case 4组合中,30%，47%，6 3%截面翼型较Case7组合分离流动进一步被抑制，分离点进一步往后推移,分离涡强度、高度进一步减小。Case0Case1(a)0.3RCase 0Case1(b)0.47RCase 0Case 1(c)0.63R图5叶片各截面翼型流线对比图(Q2=91r/min，V=15 m/s)Fig.5 Comparison of airfoil streamlines of each sectionof blade(2=91 r/min,V=15 m/s)综上所述,Case 4、C a s e 7 组合较Case 1组合能进一步抑制流动分离,增大附着流动面积,其中 Case 4组合有着最佳的流动控制效果，能更好的提升叶片气动性能,抑制分离流动。2.4叶片各截面翼型表面压力系数对比分析选择风速10 m/s时,叶片展向0.3R,0.47R,0.63R和0.8 R4个PhaseVI风机叶片截面的Cp，见式（1)作为对比,进一步分析单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流发生器对风力机气动性能的影响。C=p(%+(ro)21式中，C,一一压力系数p一空气密度V远处来流风速风力机转速,其值为7 2.1 r/minr一叶片截面半径Vp压差,Vp=p-P28210-1-2-3-4-5-6-7-80.02Case 4Case 7Case 4Case7Case 4Case7p(1)Case7Case4-Case1.Case00.20.4x/c(a)0.3R10-1-2S-3-4-5-6-7-80.020-2-4-60.020-2-40.0图6 叶片各截面翼型压力系数图（Q=72.1r/min，Fig.6Airfoil pressure coefficient diagram of eachsection of blade(2=72.1 r/min,V=10 m/s)图6 为单排涡流发生器、双排涡流发生器不同高度参数下,风力机叶片4个截面翼型压力系数图。通0.6Case7Case 4Case1EXPCase00.20.40.6x/c(b)0.47RCase7-Case 4-Case1.EXP-Caseo0.20.4x/c(c)0.63RCase7-Case4-Case1-Caseo0.20.4x/c(d)0.8RV=10 m/s)0.81.00.81.00.60.80.60.81.01.0Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024过对比分析图中压力系数曲线，可以看到，在相同截面提升叶片气动性能，抑制分离流动。处原始模型叶片的压力系数曲线与实验压力系数值很参考文献好的吻合，同时截面翼型前缘区域，压力系数有较大幅1 GAO Linyue,ZHANG Hui,LIU Yongqian,et al.Effect of度减小,能看出明显差异。具体来看，在沿叶片展向Vortex Generators on a Blunt Trailing-edge Airfoil for Wind30%截面翼型处，单排、双排涡流发生器将分离点往Turbine J.Renewable Energy,2015,76:303-311.后推移，使得吸力面压力系数变小，压差增大，其中2韩章敬，叶学民.涡流发生器形状对风力机翼型气动性能Case4组合效果最好。在47%截面翼型处，前缘压力的影响 J.电力科学与工程,2 0 2 0,36(1):7 0-7 8.3JOHANSEN J,SOERENSEN N N,RECK M,et al.Rotor有了明显波动，其压差显著增大，出现局部压力峰。Blade Computations with 3D Vortex Generators R.同时，在翼型中后部双排涡流发生器较单排涡流发生Roskilde:Risoe National Laboratory,2005.器进一步增大了翼型面压差，抑制了分离涡。在4WANG Q,YANG S Y,WANG H J,et al.Aerodynamic63%，8 0%截面翼型处，可以看到，单排、双排涡流发Shape Integrated Design of Wind Turbine Airfoils and Vortex生器增强了翼型表面附着流动，使吸力面负压显著增Generators J.International Journal of Green Energy,大,压力系数所围面积明显增大,其 Case 4 组合提升2022,19(7):747-756.气动性能更好。5江瑞芳，赵振宙，冯俊鑫，等.涡流发生器对风力机叶片流综上所述,单排涡流发生器和不同高度参数双排动控制的数值研究 J.工程热物理学报，2 0 2 1,42（12）；涡流发生器对截面翼型前缘和中部区域影响显著，起3170-3177.到了增升作用,改善了截面翼型的气动性能,其Case 46 PAULEYW R,EATON JK.An Experimental Study of the组合作用效果最好，进一步证实了双排涡流发生器最Development of Longitudinal Vortex Pairs Embedded in a佳高度参数为Case4组合，也证实了双排涡流发生器Turbulent Boundary Layer C/AIAA 19th Fluid Dynamics较单排涡流发生器有着更好的流动控制效果。Plasma Dynamics and Lasers Conference.Honolulu,1987:1-10.3结论7杨劲，谢伟，张伟，等.定桨距风力发电机组叶片加装涡流发生器性能提升研究 J.机电工程技术,2 0 19,48（10）：对加装单排涡流发生器、不同高度参数双排涡流124 127.发生器共10 种模型的PhaseVI风力机叶片进行数值8ZHANG Lei,LI Xingxing,YANG Ke,et al.Effects of Vortex模拟,研究了在三维旋转效应耦合作用下，,10 种模型对Generators on Aerodynamics Performance of Thick Wind风力机叶片气动性能的影响以及其流动控制机理，对Turbine Airfoils J.Jo u r n a l o f Wi n d En g i n e e r i n g a n d比分析结果如下：Industrial Aerodynamics,2016,156:84-92.（1）加装9 种不同高度参数双排涡流发生器，在9张惠，周广鑫.流动控制组合对风力机翼型性能影响的实不同转速、风速下，均能提升风力机叶片气动性能，改验研究 J.太阳能学报,2 0 19,40（11）：32 2 9-36 34.善风力机流场。其中,第一排涡流发生器与第二排涡10冯俊鑫，赵振宙，刘惠文，等.涡流发生器形状对DU91-流发生器高度差越大时，双排涡流发生器整体流动控W2-250翼型动态失速的影响机理分析 J.太阳能学报，制效果最好,即最佳高度参数Case 4（第一排涡流发生2022,43(12):368 374.器高度3mm,第二排涡流发生器高度9 mm)前低后高11】陈明,赵振宙,孟令玉,等.风力机叶片上涡流发生器参数组合。化模型应用方法研究 J.太阳能学报，2 0 2 2,43（10）：2 36-242.（2）不论是在低转速、低风速工况，还是高转速、12王涛，李屹，李家春，等.机轮刹车系统关键液压元件检高风速工况，最佳高度参数双排涡流发生器较单排涡测试验台设计 J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(2)7 5-7 8.流发生器都有着更好的流动控制效果，能更大程度地引用本文：杨瑞，杨涛，曾学仁，等.双排涡流发生器高度参数对风力机气动性能影响的研究 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（3）：2 3-2 9.YANG Rui,YANG Tao,ZENG Xueren,et al.The Influence of Double Row Vortex Generator Height Parameters on Wind TurbineAerodynamic Performance J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(3):23-29.29