李仁年, 赵振希, 李德顺, 李银然, 王亚娥, 郭兴铎

(1. 兰州理工大学 能源与动力工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 甘肃省流体机械及系统重点实验室, 甘肃 兰州 730050; 3. 兰州理工大学 甘肃省风力机工程技术研究中心, 甘肃 兰州 730050)

气固两相流是指气体中夹带有固相颗粒状态下的流动,广泛存在于自然环境中,例如受风沙肆虐的中国西北地区.西北地区又是中国陆上风能资源最丰富的地区之一,甘肃瓜州县被称为“世界风库”、玉门市被称为“风口”,甘肃风能资源理论储量为 2.37亿kW.但是风力机在风沙环境下运行,其气动性能势必会受到空气中颗粒的影响,甚至造成风轮的磨损进一步影响其气动性能,致使风力机年发电量降低以及使用寿命下降.因此,针对风沙环境下翼型气动性能的研究很有必要.

颗粒对于风力机翼型气动性能的影响主要是由于颗粒和空气相互作用引起的流场结构改变,颗粒和空气的相互作用相当复杂,国内外学者对此进行了很多的研究,Levy和Tsuji等[1-2]通过实验观察到颗粒既能增强湍流又能削弱湍流.Gore等[3]收集了众多学者的数据,他们认为颗粒的直径和湍流尺度的比值是判断颗粒增强还是削弱湍流的依据,当该比值小于0.1,颗粒会削弱湍流,反之则增强湍流.但是,颗粒和空气之间的相互作用机理依然存在争议.近几年,国内外对风力机在两相流环境下运行情况的研究逐渐增多,何平等[4]对NREL S809翼型进行数值模拟,研究了气液两相流对海上风力机气动性能的影响.李德顺等[5]针对NACA0012二维翼型采用k-ε湍流模型(realizablek-ε)在不同颗粒直径和不同颗粒质量浓度条件下进行模拟并与洁净空气时的气动性能进行对比,研究表明颗粒直径和颗粒质量浓度的增大,均会使翼型的升力系数上升,阻力系数下降.而Khakpour等[6]采用SST 湍流模型却得到相反的结论,颗粒的加入会造成S819二维翼型的升力系数下降,并且随着颗粒直径的增大翼型升力系数逐渐恢复,但是当颗粒直径为100 μm时,翼型的升力系数仍小于洁净空气条件下的升力系数.这说明气固两相流对于风力机翼型气动性能的影响相当复杂,需要进一步的研究.刘阳等[7]针对气固两相流,分别用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和统一二阶矩两相湍流模型的RANS模拟(USM-RANS)对轴对称突扩气固流动进行了模拟,研究表明LES瞬态模拟可以显示气固湍流流动的各向异性湍流结构和颗粒弥散的发展过程,而USM-RANS则无法实现.

颗粒和空气间的相互作用相当复杂,而在一定攻角下,空气绕流过翼型表面会产生尾涡,根据众多学者的研究表明尾涡区是颗粒和空气相互作用最为强烈的区域.基于此,笔者认为对于风力机翼型两相流的研究应采用三维几何模型和非雷诺平均的湍流模型.LES通过模化小尺度涡,直接计算大涡,在非定常及分离流动问题上体现出明显的优势,然而该方法对网格的要求十分苛刻,且对计算机性能有着较高的要求,加上不成熟的近壁面模型使其不适合用于进行风力机翼型的相关模拟.近年来兴起的RANS-LES混合方法,结合了RANS和LES的优点,使其同时拥有RANS成熟的近壁面模型以及LES在非定常和分离流动上的优势,且对网格和计算机性能要求不高,其中的延迟分离涡模型(delay detached eddy simulation,DDES)更是广泛应用于风力机翼型大攻角下的非定常分离流动研究[8-11].

1 数值方法

1.1 计算域及网格划分

NREL S809翼型是美国国家能源部可再生能源实验室针对风力机设计的翼型,该翼型相对厚度21%,设计雷诺数2×106,最大升力系数1.0,但是该翼型在失速工况下仍然具有优秀的气动性能,Phase VI风力机就是采用的S809翼型.本文以NREL S809三维翼型为研究对象,弦长为1 m,展向拉伸为0.4倍弦长.计算域由一个以翼型尾缘为圆心、半径16 m的半圆和一个长20 m的长方形组成,颗粒入射方式采用surface类型入射方式,入射面距翼型尾缘6 m,面积6 m×0.4 m,颗粒轨道数 960×64,共61 440,计算域如图1所示.采用DDES湍流模型,近壁面RANS区采用SSTk-ω湍流模型,该模型要求近壁面无量纲数y+<1,经过试算,最终取近壁面首层网格高度为0.012 mm以满足模型要求.采用结构化网格,翼型表面分布300个网格节点,展向分布40个网格节点以近似满足Δx≈Δz,翼型壁面法向分布150个网格节点并进行近壁面加密,总网格数约为225万.

1.2 边界条件设置

边界条件选用速度进口和压力出口,翼展两端边界定义为对称边界,翼型表面设定为无滑移壁面,通过改变空气的入射角度实现攻角的变化,入射速度为14.61 m/s,雷诺数为2×106.采用离散相(DPM)模型进行两项耦合计算,颗粒入射速度和方向均与空气相同,不考虑重力影响.速度与压力耦合选择SIMPLEC算法,动量、湍动能及耗散率方程均采用二阶迎风格式.时间步长取0.000 4 s,每个时间步长内迭代20次,当升阻力系数稳定或者在很小范围内波动时,认为收敛,取一定时间范围内的平均值.

文献[12,13]中提到的修正封闭常数以提高RANS区模拟精度的方法经试算同样适用于DDES湍流模型.图2为洁净空气时不同攻角下升阻力系数与实验数据[14]的对比,模拟结果与实验数据吻合较好,当攻角小于13°时,模拟得到的升阻力系数与实验数据基本吻合,攻角为14.23°时,升力系数误差最大达到8%,满足要求,认为模拟方法可行.

2 模拟结果与分析

图3为不同攻角下洁净空气和不同颗粒直径条件时翼型周围的涡量云图(中间截面).从图3a可以看出,攻角较小时,颗粒对翼型周围涡量的影响较小,尾流区的流动状态稳定且基本没有受到颗粒的影响.

当攻角增大到8°时,S809翼型的吸力面会发生流动分离并在分离点后形成附着涡.由于攻角较小,虽发生了流动分离,但是流动状态比较稳定.从图3b中可以看出,8°攻角洁净空气状态下S809翼型吸力面处发生了流动分离,空气绕流过翼型形成尾涡.当颗粒直径为10 μm时,对比洁净空气,尾涡范围变大,但是流动状态还是比较稳定,涡的脱落比较规律；当颗粒直径为20 μm时,尾涡范围继续扩大,形成较大的分离泡.当攻角为12°时,流动分离现象更强,且流动状态极不稳定.从图3c可以看出此时流动状态已经表现出了极强的非定常性.洁净空气时,翼型吸力面发生了严重的流动分离,形成较大的尾涡,但是涡的结构还是比较稳定,在翼型尾缘后1.2倍弦长处才出现涡的破裂.随着颗粒的加入,无法形成洁净空气时饱满的涡结构,脱落过程中不断地有小涡从大涡中分离出来,当颗粒直径增大到150 μm时,尾涡已经与洁净空气时较为接近.这说明大攻角时,颗粒和气相的相互作用十分复杂,没有在小攻角时的明显规律,这是因为大攻角时即使在洁净空气条件下,其流动状态已经较为复杂,并且还伴随着很强的非定常特性.

图4为8°攻角、颗粒直径为20 μm工况下一个涡脱周期内的涡量演变,图中T1～T4表示一个涡脱周期中均分的4个时刻.可以看出该工况时翼型周围的流动区别于其他工况,涡的脱落情况不再是其他工况下规律的脱落,体现出明显的非定常特性.这种现象在大攻角条件时比较常见,体现了颗粒与气相作用的复杂性.当颗粒直径增大到30 μm时,可以看到尾涡已经开始恢复,形成了规律且稳定的涡脱过程,但尾涡的耗散仍比洁净空气时高；颗粒直径继续增大,可以看出随着颗粒直径的增大,尾涡逐渐恢复且范围逐渐缩小,当颗粒直径为150 μm时,尾涡的状态已和洁净空气时无异.

图5为各攻角下不同颗粒直径条件时翼型的压力系数(中间截面,一个周期内的平均值).可以看出8°攻角时,颗粒对翼型升力系数的影响较大,当颗粒直径为20 μm时,翼型表面的压力系数分布和其他条件时翼型表面压力系数有着明显的区别,翼型吸力面尾涡附着部分的压力系数明显大于其他条件时该区域的压力系数,但是翼型表面其他部分的压力系数均比其他条件时的压力系数小.而6°攻角和12°攻角时,颗粒对翼型升力系数的影响很小.

图6为三种攻角下不同颗粒直径条件时翼型的升力系数.从图中可以看出,当攻角较小(6°)和较大(12°)时,颗粒对翼型升力系数的影响不大,升力系数最小时仅比洁净空气时的升力系数分别减小了3.9%和4.1%,而8°攻角时,颗粒对翼型升力系数的影响极为严重,最大时升力系数下降了8%.这是因为洁净空气条件下,8°攻角时翼型表面发生了流动分离,但是流动状态依然稳定,此时颗粒对翼型绕流流动的影响非常剧烈.6°攻角时翼型表面流动没有发生分离或12°攻角时发生了分离且具有较强的非定常特性,这两种情况下颗粒对翼型升力系数的影响较小.因此可以推测,颗粒对S809翼型气动性能影响最严重的区域在7°～10°攻角内.

3 结论

1) 颗粒对风力机翼型周围绕流的影响极其复杂,当攻角较小(6°)时,颗粒对翼型尾流基本没有影响.当攻角为8°时,颗粒对翼型尾涡影响较大.当颗粒直径小于20 μm时,随着颗粒直径的增大,尾涡开始出现交替脱落现象；当颗粒直径为20 μm时,翼型绕流体现出明显的非定常特性,空气流过翼型表面,在其吸力面上形成较大的附着涡,并不断地有涡从附着涡中脱落出来；当颗粒直径大于20 μm后,尾涡随着颗粒直径的增大逐渐向洁净空气时的状态靠近,当颗粒直径增大到150 μm时其流动状态已基本接近洁净空气时的流动状态.

2) 颗粒对翼型升力系数有一定的影响,但是其影响和攻角有关,当攻角较小(6°)或攻角较大(12°)时,颗粒对翼型升力系数的影响较小；当翼型的攻角为8°时,颗粒对翼型升力系数的影响较大.三种攻角下升力系数均随颗粒直径的增大先减小后上升,临界颗粒直径为20 μm.当颗粒直径增大到150 μm时,翼型的升力系数与洁净空气时的升力系数基本无异.