一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法，包括步骤：1)初始光滑叶片计算流域三维模型的建立；2)初始光滑叶片计算流域三维模型网格划分；3)考虑转捩的数值模拟计算；4)涡流发生器安装位置的确定；5)涡流发生器尺寸的确定；6)涡流发生器作用效果的评估；7)优化过程。本发明专利技术能极大地改善涡流发生器对边界层流动分离的控制效果，并且克服风场颗粒沉积物因试验周期长且不能较好确定涡流发生器的尺寸而不能满足风力发电机制造商对项目周期的需求以及对叶片进行配套生产的需求等不足，为更加合理地确定风电叶片涡流发生器的安装位置及其尺寸提供理论依据。

A method for determining the installation position and dimension of a wind turbine blade vortex generator

The invention discloses a method for determining the installation position and size of wind turbine blade eddy current generator, including steps: 1) the establishment of a three-dimensional model of the initial smooth blade calculation basin; 2) the three-dimensional model grid division of the initial smooth blade calculation basin; 3) considering the numerical simulation of the transition; 4) the determination of the installation position of the eddy current generator. (5) the size of the vortex generator is determined; 6) the evaluation of the effect of the vortex generator; 7) the optimization process. The invention can greatly improve the control effect of the flow separation of the eddy current generator on the boundary layer, and overcome the shortage of the wind field particle sediment because of the long test cycle and not better determine the size of the eddy current generator, and can not satisfy the demand of the wind generator manufacturer for the project cycle and the demand for the supporting production of the blade. It provides a theoretical basis for more reasonable determination of the installation location and dimensions of wind turbine blades.

【技术实现步骤摘要】
一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法
本专利技术涉及可再生新能源风电叶片的
，尤其是指一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法。
技术介绍
风电叶片大型化趋势日益显现，随着叶片的大型化，风力发电机机组实际运行时其叶片表面的层流流动分离现象也越来越容易发生，因此，控制大型风电叶片表面的层流流动分离以实现叶片增升减阻就显得尤为重要。风力发电机制造商通过在叶片表面加装涡流发生器来改善叶片表面的流动情况，即通过涡流发生器来抑制叶片表面层流边界层的分离，以达到涡流发生器对叶片增升减阻的效果，从而改善风电叶片的效率，最终改善风力发电机的发电效率以使风力发电机的年发电量最大化。然而，涡流发生器在风电叶片上的安装位置及其尺寸对风电叶片表面流动情况的影响较大，人们不能随意的确定涡流发生器的安装位置及其尺寸。目前，国内、外风力发电机制造商主要是根据经验做简化处理以及根据风场颗粒沉积物试验来确定涡流发生器的安装位置及其尺寸。根据经验做简化处理即将涡流发生器都安装在一条直线上，且该直线距离叶片前缘一定的距离，然而该简化处理方法并不能使涡流发生器起到最好的控制效果。根据风场颗粒沉积物试验即通过颗粒由于叶片吸力面的边界层流动分离经过较长时间的沉积会附着在叶片吸力面上，从而可以探测到叶片吸力面上的边界层流动分离线，进而根据该边界层流动分离线来确定对涡流发生器安装位置，但实践验证，该方法试验周期较长不能满足风力发电机制造商对项目周期的需求，且该方法不能较好确定涡流发生器的尺寸，不能满足风力发电机制造商对叶片进行配套生产的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种考虑转捩的风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法，能极大地改善涡流发生器对边界层流动分离的控制效果，并且克服因风场颗粒沉积物试验周期长且不能较好确定涡流发生器的尺寸而不能满足风力发电机制造商对项目周期的需求以及对叶片进行配套生产的需求等不足，为更加合理地确定风电叶片涡流发生器的安装位置及其尺寸提供理论依据。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法，包括以下步骤：1)初始光滑叶片计算流域三维模型的建立根据大型风力机发电机组叶片气动外形尺寸参数，并采用CATIA软件建立初始的风电叶片光滑三维模型，并根据该大型风力机发电机组的实际运行工况确定初始光滑风电叶片外部计算流域的三维模型；2)初始光滑叶片计算流域三维模型网格划分利用CFD前处理软件ICEM对初始光滑叶片计算流域三维模型进行六面体结构网格划分，风电叶片整个三维计算流域网格均由六面体结构元素构成，并对初始光滑叶片周围网格进行局部加密，以保证数值模拟的精度；3)考虑转捩的数值模拟计算利用步骤2)得到的三维网格模型，采用CFD软件FLUENT中四方程TransitionSST转捩模型对该大型风力机发电机组叶片的实际运行工况进行数值模拟计算；其中，所述四方程TransitionSST转捩模型在进行求解时是完全基于当地局部变量来进行转捩预测的，且该转捩模型求解时在耦合SSTk-ω湍流模型控制方程的同时还使用两个变量输运方程，即间歇因子γ输运方程和转捩动量厚度雷诺数输运方程，方程形式表示为：转捩源项Pγ和Eγ定义为：Eγ＝ca2FturbρΩγ(ce2γ-1)(4)参数Fturb和Fonset的表达式分别为：参数Fonset1、Fonset2和Fonset3的表达式分别为：源项Pθt的定义为：式中，ρ为密度、uj为速度、t为时间、xj为坐标值、j为张量中的自由标、θ为动量厚度、μ为层流粘性系数、μt为湍流黏性系数、k为湍动能、ω为湍动能的耗散率、S为应变律的模、U为流动速度的大小、Ω为涡量的模、y为离壁面的最小距离、Flength为转捩区的长度、Reθt为转捩临界雷诺数、Rev为涡量雷诺数、Reθc为间歇因子开始增加时的临界动量厚度雷诺数、RT为粘性比、Feθt为开关函数；其中，各常数值为：σγ＝1.0，ca1＝2.0，cα＝0.5，ce1＝1.0，ca2＝0.06，ce2＝50，σθt＝2.0，cθt＝0.03；对于有分离的流动，认为流动分离则在分离泡处γ迅速增长，随着湍流粘性比的提高，γ的增长趋于平缓，因此，为分离流转捩设计的间歇因子γsep表示为：γeff＝2Fθt·min(1.0,FreattachRevmax)(8)式中，最终考虑分离情况的间歇因子表示为：γeff＝max(γ,γsep)(10)然后，将修正后的SST湍流模型湍动能方程为：式中，式中，Pk、Dk分别为原SST湍流方程的生成项和耗散项；整个三维计算流域的来流风速大小、来流风速方向、湍流度这些参数设置均与该大型风力发电机组叶片的实际运行工况保持一致；其中，FLUENT软件采用基于压力算法和二阶迎风差分格式离散，Simple压力速度耦合双精度求解；4)涡流发生器安装位置的确定转捩对叶片表面的摩阻有着重要的影响，层流向湍流的转捩发生位置处叶片表面的摩阻系数会突然增大，因此，能够以此来判断转捩发生的位置；根据步骤3)数值模拟的计算结果，以叶根处为起始截面，以预设倍数的叶片半径处为最终截面，并从叶根处沿叶尖方向每隔预设距离获取一个截面的摩擦阻力系数分布，通过叶片吸力面从叶根至预设倍数的叶片半径处不同截面位置的摩擦阻力系数分布来获取叶片吸力面不同截面位置边界层的转捩点，再通过叶片吸力面不同截面位置边界层的转捩位置来确定涡流发生器的安装位置，涡流发生器的安装位置贴近叶片吸力面不同截面位置边界层转捩点的连线，从而保证涡流发生器在不破坏叶片吸力面层流区的流动情况下，使涡流发生器极大地发挥其改善边界层流动分离区的流动控制效果；5)涡流发生器尺寸的确定根据步骤3)数值模拟计算结果，以叶根处为起始截面，以预设倍数的叶片半径处为最终截面，并从叶根处沿叶尖方向每隔预设距离获取一个截面的表面附面层高度分布，同时根据CFD的后处理软件TECPLOT获取这些不同截面位置的速度流线分布情况；通过叶片吸力面从叶根至预设倍数的叶片半径处不同截面位置表面附面层高度分布以及速度流线分布情况确定不同截面位置涡流发生器的高度，且要求不同截面位置之间涡流发生器的高度尽可能与两端截面表面附面层高度呈线性关系；其中，涡流发生器的长度为3.3～3.6倍涡流发生器高度，涡流发生器的厚度为0.04～0.1倍涡流发生器高度，涡流发生器的角度即涡流发生器相对于垂直叶片展向方向的倾斜角度为15～16.4°，每对涡流发生器的尖端之间的距离为1.8～2.3倍涡流发生器高度，成对涡流发生器之间的安装距离为5～7倍涡流发生器高度；利用数值模拟确定的涡流发生器尺寸范围，初步选定涡流发生器的尺寸，利用步骤4)确定的涡流发生器的安装位置，采用CATIA软件对风电叶片涡流发生进行三维建模，利用CFD前处理软件ICEM对加装涡流发生器的叶片的三维模型计算流域进行六面体结构网格划分，再通过CFD软件FLUENT按照步骤3)风电叶片光滑三维模型的数值模拟边界条件来进行设置，FLUENT软件中的边界条件设置、求解器设置均与步骤3)风电叶片光滑三维模型的设置保持一致，采用FLUENT软件中四方程TransitionSST转捩模型对该模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)初始光滑叶片计算流域三维模型的建立根据大型风力机发电机组叶片气动外形尺寸参数，并采用CATIA软件建立初始的风电叶片光滑三维模型，并根据该大型风力机发电机组的实际运行工况确定初始光滑风电叶片外部计算流域的三维模型；2)初始光滑叶片计算流域三维模型网格划分利用CFD前处理软件ICEM对初始光滑叶片计算流域三维模型进行六面体结构网格划分，风电叶片整个三维计算流域网格均由六面体结构元素构成，并对初始光滑叶片周围网格进行局部加密，以保证数值模拟的精度；3)考虑转捩的数值模拟计算利用步骤2)得到的三维网格模型，采用CFD软件FLUENT中四方程Transition SST转捩模型对该大型风力机发电机组叶片的实际运行工况进行数值模拟计算；其中，所述四方程Transition SST转捩模型在进行求解时是完全基于当地局部变量来进行转捩预测的，且该转捩模型求解时在耦合SST k‑ω湍流模型控制方程的同时还使用两个变量输运方程，即间歇因子γ输运方程和转捩动量厚度雷诺数

【技术特征摘要】
1.一种风电叶片涡流发生器安装位置及其尺寸的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)初始光滑叶片计算流域三维模型的建立根据大型风力机发电机组叶片气动外形尺寸参数，并采用CATIA软件建立初始的风电叶片光滑三维模型，并根据该大型风力机发电机组的实际运行工况确定初始光滑风电叶片外部计算流域的三维模型；2)初始光滑叶片计算流域三维模型网格划分利用CFD前处理软件ICEM对初始光滑叶片计算流域三维模型进行六面体结构网格划分，风电叶片整个三维计算流域网格均由六面体结构元素构成，并对初始光滑叶片周围网格进行局部加密，以保证数值模拟的精度；3)考虑转捩的数值模拟计算利用步骤2)得到的三维网格模型，采用CFD软件FLUENT中四方程TransitionSST转捩模型对该大型风力机发电机组叶片的实际运行工况进行数值模拟计算；其中，所述四方程TransitionSST转捩模型在进行求解时是完全基于当地局部变量来进行转捩预测的，且该转捩模型求解时在耦合SSTk-ω湍流模型控制方程的同时还使用两个变量输运方程，即间歇因子γ输运方程和转捩动量厚度雷诺数输运方程，方程形式表示为：转捩源项Pγ和Eγ定义为：Eγ＝ca2FturbρΩγ(ce2γ-1)(4)参数Fturb和Fonset的表达式分别为：参数Fonset1、Fonset2和Fonset3的表达式分别为：源项Pθt的定义为：式中，ρ为密度、uj为速度、t为时间、xj为坐标值、j为张量中的自由标、θ为动量厚度、μ为层流粘性系数、μt为湍流黏性系数、k为湍动能、ω为湍动能的耗散率、S为应变律的模、U为流动速度的大小、Ω为涡量的模、y为离壁面的最小距离、Flength为转捩区的长度、Reθt为转捩临界雷诺数、Rev为涡量雷诺数、Reθc为间歇因子开始增加时的临界动量厚度雷诺数、RT为粘性比、Feθt为开关函数；其中，各常数值为：σγ＝1.0，ca1＝2.0，cα＝0.5，ce1＝1.0，ca2＝0.06，ce2＝50，σθt＝2.0，cθt.＝0.03；对于有分离的流动，认为流动分离则在分离泡处γ迅速增长，随着湍流粘性比的提高，γ的增长趋于平缓，因此，为分离流转捩设计的间歇因子γsep表示为：γeff＝2Fθt·min(1.0,FreattachRevmax)(8)式中，最终考虑分离情况的间歇因子表示为：γeff＝max(γ,γsep)(10)然后，将修正后的SST湍流模型湍动能方程为：式中，式中，Pk、Dk分别为原SST湍流方程的生成项和耗散项；整个三维计算流域的来流风速大小、来流风速方向、湍流度这些参数设置均与该大型风力发电机组叶片的实际运行工况保持一致；其中，FLUENT软件采用基于压力算法和二阶迎风差分格式离散，Simple压力速度耦合双精度求解；4)涡流发生器安装位置的确定转捩对叶片表面的摩阻有着重要的影响，层流向湍流的转捩发生位置处叶片表面的摩阻系数会突然增大，因...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄轩晴，陈文光，高猛，何学，李军向，唐新姿，
申请(专利权)人：明阳智慧能源集团股份公司，
类型：发明
国别省市：广东,44