薛 宇，劉 燕

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青島華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東 青島 266000;3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 昌平 102206)

海上濕氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)性能影響研究

薛 宇1,2，劉 燕3

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青島華創(chuàng)風(fēng)能有限公司，山東 青島 266000;3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 昌平 102206)

潮濕的空氣連同大霧、下雨天氣以及冬天結(jié)冰都會(huì)引起風(fēng)力機(jī)性能降低。為了研究高濕度對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響，首先利用數(shù)據(jù)分析了濕空氣的密度和黏性屬性，評(píng)估對(duì)發(fā)電量的影響。其次，采用數(shù)值模擬的方法研究了水蒸氣凝結(jié)和水汽分壓力對(duì)翼型和葉片的氣動(dòng)性能影響。研究發(fā)現(xiàn)：高濕度空氣下，濕氣流動(dòng)及翼型表面水膜的形成對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響很小，可以忽略不計(jì)，然而水汽凝結(jié)對(duì)葉片結(jié)冰及污染有間接效應(yīng)；空氣中有大量液滴的霧天或雨天，阻力增大導(dǎo)致葉片氣動(dòng)性能退化。高溫高濕度天氣時(shí)，密度變化對(duì)年發(fā)電量的計(jì)算不能忽略，葉片結(jié)冰和污染物黏結(jié)的情況也是需要進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容。

海上風(fēng)電；濕氣；凝結(jié)；歐拉模型；氣動(dòng)性能

0 引言

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、單機(jī)容量大、不占用土地、不消耗水資源以及適宜大規(guī)模開發(fā)等特點(diǎn)。作為可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，海上風(fēng)電將成為推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要發(fā)展方向[1]。由于受制于成本、技術(shù)等原因，過去數(shù)年我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展速度遠(yuǎn)低于預(yù)期。與陸地風(fēng)電相比，海上及潮間帶風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境與陸地條件截然不同，海上風(fēng)電技術(shù)遠(yuǎn)比陸地風(fēng)電復(fù)雜，在設(shè)計(jì)和建設(shè)海上風(fēng)場(chǎng)過程中，不得不考慮海上惡劣自然條件和環(huán)境條件帶給我們的影響。如鹽霧腐蝕、海浪載荷、臺(tái)風(fēng)破壞等制約因素。海上風(fēng)電機(jī)組往往在高濕度鹽霧環(huán)境下運(yùn)行，但是風(fēng)機(jī)功率曲線IEC測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是陸上風(fēng)力機(jī)，濕度很低，同時(shí)風(fēng)切變數(shù)據(jù)可能不同于陸上，因此海上風(fēng)電開發(fā)時(shí)需要了解評(píng)估這些因素對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全及效益的影響。

海上空氣中含有大量水蒸氣，旋轉(zhuǎn)葉片表面可能發(fā)生凝結(jié)，潮濕的葉片表面容易沾污，寒冷低溫環(huán)境下容易結(jié)冰，都會(huì)造成葉片性能下降[2-3]。在清晨，大霧天氣(或雨天)，空氣中混合著大量μm級(jí)的水滴，水滴遇到旋轉(zhuǎn)的葉片，撞擊葉片表面，可能造成葉片阻力升高，繼而降低風(fēng)力機(jī)的性能。此外，潮濕空氣加劇了葉片表面的腐蝕。

本文以海上風(fēng)電高濕度環(huán)境為背景，考慮濕空氣的物理特性及凝結(jié)過程，重點(diǎn)從空氣密度變化、翼型、葉片氣動(dòng)性能方面分析濕氣對(duì)氣動(dòng)的影響，采用CFD方法研究水汽在葉片表面凝結(jié)及匯集形成水膜后對(duì)翼型及葉片氣動(dòng)性能的影響。需要說明的是海上風(fēng)切和腐蝕不在本文討論范圍之內(nèi)。

1 濕空氣密度變化影響

空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中壓力分布不均，空氣沿水平方向運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)。風(fēng)輪將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，連接發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。最典型的風(fēng)力機(jī)是水平軸2葉輪或3葉輪風(fēng)力機(jī)，3葉輪運(yùn)行在上風(fēng)向，正對(duì)來流風(fēng)速。風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的功率P可用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ρ為空氣密度；A為掃風(fēng)面積；V為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。風(fēng)功率與空氣密度和風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)系數(shù)成正比。表1為不同濕度空氣密度變化范圍，可以看出濕度對(duì)空氣密度的影響范圍從0.57%到1.92%，即對(duì)功率的影響相同。相對(duì)濕度為水蒸氣的分壓力與相同溫度下飽和蒸汽壓力的比值。

以我國(guó)華南地區(qū)的海上風(fēng)電場(chǎng)為例，風(fēng)電場(chǎng)平均溫度為20 ℃，平均相對(duì)濕度約為80%，密度變化對(duì)功率的影響約為0.41%，假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)容量為200 MW，由于濕度造成的損失約4 500 000kW·h/a，由此可見，濕度變化引起的功率損失不可忽略。

表1 空氣密度隨相對(duì)濕度變化Table1 Variation of air density with air relative humidity

注： 空氣密度計(jì)算假設(shè)各濕度條件大氣壓力相同。

2 數(shù)值模型

對(duì)于翼型計(jì)算研究，首先采用組分輸運(yùn)模型研究2維翼型，然后采用歐拉壁面膜模型計(jì)算三維NACA63418翼型(見圖1)。二維組分輸運(yùn)模型，利用用戶自定義函數(shù)模擬翼型表面膜凝結(jié)。三維歐拉壁面膜模型可以求解水滴和空氣在翼型表面的流動(dòng)。

圖1 翼型遠(yuǎn)場(chǎng)及局部網(wǎng)格Fig.1 Far-field mesh and local grid of airfoil

2.1 組分輸運(yùn)模型

濕空氣為干空氣和水蒸氣的混合氣體，組分輸運(yùn)模型將混合氣體定義為一種二元混合氣體，具有兩者的物理屬性，求解過程作為單相處理。濕空氣密度按照不可壓縮理想氣體方程計(jì)算。

濕空氣的控制方程如下所述。

質(zhì)量方程：

(2)

式中：ρm為混合物密度，kg/m3；U為流速。

動(dòng)量方程：

(3)

式中：p為混合壓力，pa；τ為切應(yīng)力張量；B為體受力向量。

能量方程：

(4)

組分質(zhì)量：

(5)

(6)

式中：Sct為湍流施密特?cái)?shù)；μt為湍流黏度，kg/(m·s)；Di,m為質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 膜凝結(jié)模型

圖2 壁面凝結(jié)原理Fig.2 Schematic of the condensation model

模型采用BELL[2]蒸汽壁面冷凝模型。水蒸氣擴(kuò)散通過傳質(zhì)邊界層，遇冷壁面釋放潛熱形成液膜，液體膜達(dá)到壁溫，蒸汽擴(kuò)散和凝結(jié)在氣液截面持續(xù)發(fā)生，這一過程如圖2所示[3]。冷凝率取決于蒸汽的擴(kuò)散速率，反過來又取決于邊界層的水蒸汽濃度差。在邊界層的一端是大量混合流體，濃度取決于混合物的參數(shù)，邊界層的另一端是凝結(jié)液體水膜和氣體混合物界面。本研究假定在液體膜-水蒸汽混合物界面存在局部平衡，這意味著在界面處的水蒸汽濃度等于在膜溫度下的飽和值。因此，膜界面溫度決定了整個(gè)邊界層的濃度差，并反過來控制冷凝率。

假設(shè)[4]如下所述。

(1) 由于水蒸汽通過組分邊界層擴(kuò)散導(dǎo)致冷凝。這個(gè)假設(shè)用于導(dǎo)出冷凝水體積數(shù)學(xué)表達(dá)式。

(2) 液膜和壁面存在熱平衡，液膜溫度Tfilm等于壁面溫度Twall。

(3) 氣液界面是飽和狀態(tài)。即交界面水蒸氣分壓力等于壁面溫度下的飽和蒸汽壓力。結(jié)合假設(shè)(2)，壁面溫度決定氣液界面的蒸汽濃度，控制總的蒸汽擴(kuò)散和通過邊界層的濃度比。

(4) 不考慮液膜運(yùn)動(dòng)帶來的影響。由于流體剪切力和重力，液膜可能運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)不影響空氣流動(dòng)和凝結(jié)。

(5) 分析僅限于膜狀凝結(jié)，不考慮滴狀冷凝。

(6) 液膜的熱阻忽略不計(jì)。

由于模型是基于以上假設(shè)建立的，凝結(jié)速率取決于水蒸氣朝壁面的擴(kuò)散速率?？諝夂退魵飧鹘M分的質(zhì)量流量方程為：

用戶自定義函數(shù)中，假定壁面溫度等于或小于表面水蒸氣分壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)發(fā)生凝結(jié)。表2為凝結(jié)模型計(jì)算時(shí)的濕空氣對(duì)應(yīng)參數(shù)。如果溫度高于飽和溫度，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于壁面鄰近單元值。為了滿足氣液交界面局部熱力學(xué)平衡的假設(shè)，當(dāng)溫度低于或等于飽和溫度時(shí)，代表氣液交界面的水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)被分配一個(gè)值，使得水蒸汽的分壓等于水在局部壁面溫度下的飽和壓力。

混合物的體積質(zhì)量源項(xiàng)為

(9)

式中：Acell wall為壁面單元面積；Vcell為計(jì)算單體體積。

水蒸氣的體積質(zhì)量源項(xiàng)為

(10)

表2 濕空氣物理屬性Table 2 Material properties for water vapor condensation UDF

2.3 歐拉壁面模型

歐拉壁面膜模型[5]，實(shí)體表面膜不需劃分網(wǎng)格，以表面虛擬膜代替，不影響核心流動(dòng)動(dòng)量場(chǎng)，多數(shù)情況下，表面薄膜的分離、脫落、蒸發(fā)不影響核心流動(dòng)場(chǎng)的流動(dòng)。通常情況下，模擬此種類型薄膜需要極大的計(jì)算資源，尤其在多相工況下精確計(jì)算相間通量，需要極細(xì)的網(wǎng)格來模擬水膜，而歐拉壁面膜模型不需要?jiǎng)澐炙ぞW(wǎng)格，同時(shí)可以預(yù)測(cè)收集效率、耦合離散相模型，滿足模擬壁面收集液滴形成水膜過程的需求。文中將水分考慮為小液滴，液滴在表面匯集成水膜，計(jì)算不考慮相變。

質(zhì)量守恒方程：

(11)

膜動(dòng)量守恒方程：

(12)

式中：h為膜高度；ρl液體密度；s為表面梯度算子；平均膜速度；為每單位壁面積質(zhì)量源;g為重力加速度。

膜能量守恒方程：

(13)

當(dāng)離散粒子或液滴撞擊壁面，會(huì)被液膜吸收，吸收后，其質(zhì)量和動(dòng)量增加到質(zhì)量方程和動(dòng)量方程的源項(xiàng)中，質(zhì)量源項(xiàng)和動(dòng)量源項(xiàng)分別為

(14)

(15)

質(zhì)量源項(xiàng)：

(16)

表3為歐拉壁面膜型計(jì)算的對(duì)應(yīng)工況下的含水量。

表3 不同濕度不同溫度空氣含水量Table 3 Water content in different humidity and temperature g/m3

3 濕度對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響分析

對(duì)于目前流動(dòng)數(shù)值計(jì)算，基于壓力求解器，流動(dòng)考慮為不可壓縮流動(dòng)，求解穩(wěn)態(tài)、隱式NS方程。對(duì)于翼型、葉片湍流流動(dòng)問題，采用切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)k-ω模型。壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，對(duì)流項(xiàng)采用三階MUSCL空間離散。

表4為不同模型計(jì)算的6°攻角翼型的升阻力系數(shù)。分別對(duì)比2個(gè)模型25%濕度和90%濕度的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比，發(fā)現(xiàn)組分輸運(yùn)模型和凝結(jié)模型，25%相對(duì)濕度的升阻比高于90%濕度，升力系數(shù)和阻力系數(shù)不盡相同，但是2種濕度下的差值非常小(小于1%)，考慮數(shù)值計(jì)算誤差，可以認(rèn)為組分輸運(yùn)模型和凝結(jié)模型下，濕氣對(duì)升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響不大。

與重雨條件下翼型或葉片的行為相似[6-12]。因?yàn)樽枇ο禂?shù)明顯高于其他模型，可能存在一些不確定因素，因此，主要通過歐拉模型研究翼型、葉片表面的凝結(jié)水分布。葉片表面凝結(jié)水分布或液滴撞擊形成水膜引起其他氣動(dòng)性能衰減的行為，如圖3—4所示的潮濕條件下葉片表面黏結(jié)[11-12]和寒冷條件下結(jié)冰[13-14]。

當(dāng)采用凝結(jié)模型計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體溫度與翼型表面溫度差越大，翼型表面凝結(jié)出的水質(zhì)量流率越大，且濕度越大，情況越明顯。通過圖5不同溫差下翼型周圍凝結(jié)質(zhì)量流率的曲線圖及圖6翼型表面凝結(jié)質(zhì)量流率云圖可以發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)質(zhì)量流率較大的區(qū)域在前緣及尾緣區(qū)域，主要是翼型下表面前緣和上表面后緣，因此在實(shí)際風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中，該區(qū)域由于表面水的存在，更容易引起表面污染物(昆蟲、顆粒等)黏附。圖6顯示不同濕度翼型表面的壓力系數(shù)曲線，壓力系數(shù)曲線形狀與凝結(jié)流率曲線形狀近似，且隨濕度變化，壓力系數(shù)基本不變。

表4 各種模型下的翼型氣動(dòng)性能Table 4 Airfoil performance with various condensation models

注：Re=3×106；攻角為6°。

圖4 葉片表面結(jié)冰Fig.4 Ice on turbine blade

圖5 翼型表面凝結(jié)質(zhì)量流量和壓力系數(shù)曲線(VF model)Fig.5 Condensation mass flux and pressure coefficient around airfoil using VF model

圖6 翼型表面凝結(jié)質(zhì)量云圖(VF model)Fig.6 Contours plots of condensation mass flux on Airfoil with 3D VF model

圖7為歐拉模型計(jì)算的不同位置及各種工況的近似分離點(diǎn)空氣速度向量圖(攻角為10°)。對(duì)比截面不同風(fēng)速、溫度、濕度下的速度向量，發(fā)現(xiàn)相同溫度、相同風(fēng)速時(shí)，90%濕度較50%濕度提早發(fā)生分離，即濕度越大，分離位置越靠近前緣；相同溫度、相同濕度時(shí)，低風(fēng)速分離趨勢(shì)越明顯；相同風(fēng)速、相同濕度條件下，空氣溫度越高，分離位置越靠前，說明溫度越高，含水量越多，容易導(dǎo)致分離。圖8顯示翼型周圍流動(dòng)特征和翼型表面濕氣的凝結(jié)區(qū)域(攻角為10°)。結(jié)合翼型表面凝結(jié)云圖發(fā)現(xiàn)，水分凝結(jié)主要在前緣地區(qū)，負(fù)壓側(cè)水含量高于壓力測(cè)。

表5為歐拉壁面膜模型計(jì)算的2種攻角下不同濕度工況下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、總的膜厚度、膜質(zhì)量及整體的體積分?jǐn)?shù)。

圖7 邊界層速度向量(EWF Model)Fig.7 Vectors of air velocity(EWF Model)

圖8 翼型周圍流場(chǎng)及表面膜厚度(EWF Model)Fig.8 Contours plots of water film thickness around airfoil (EWF Model)

通過對(duì)翼型表面濕空氣流動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)，濕氣整體上對(duì)翼型的氣動(dòng)性能影響非常小，濕氣對(duì)翼型的影響主要是水分在翼型表面凝結(jié)或匯聚，容易引起污染物的黏附。通過分析翼型表面水汽凝結(jié)及表面水膜匯集分布，為翼型或葉片有針對(duì)性的防護(hù)提供借鑒。

4 結(jié)論

以海上高濕度環(huán)境為背景，采用組分輸運(yùn)、凝結(jié)模型、歐拉壁面膜模型數(shù)值模擬了不同濕度下的翼型及葉片氣動(dòng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，高濕度對(duì)高溫條件下的密度有相當(dāng)大的影響，對(duì)翼型/葉片的氣動(dòng)性能影響不大，水汽會(huì)在翼型或葉片的前緣和尾緣位置凝結(jié)，凝結(jié)造成葉片表面潮濕，導(dǎo)致在臟的環(huán)境中非常容易沾污，在寒冷低溫天氣下容易結(jié)冰。

表5 翼型歐拉壁面模型計(jì)算數(shù)值Table 5 Calculation results of EWF model on 1 200 steps

高濕度空氣中的水滴在翼型表面匯集，形成水膜，影響邊界層流動(dòng)。海上風(fēng)力機(jī)或岸邊風(fēng)力機(jī)，周圍空氣中濕度大，水滴顆?；螓}粒在葉片表面聚集，影響功率輸出。

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薛宇

(編輯 蔣毅恒)

Influence of High Humidity on the Aerodynamic Performance of Offshore Wind Turbine Airfoil/Blade

XUE Yu1,2, LIU Yan3

(1. China Datang Corporation Science and Technology Research Institute, Changping District, Beijing 102206, China;2. China Creative Wind Energy Company, Qingdao 266000, Shandong Province, China;3. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

Damp air, combined with foggy and rainy weather as well as icing, often leads to the degradation of turbine performance. Weather data analysis was performed to study the air density and viscosity of damp air, evaluating the effects of high humidity on the aerodynamic performance and generating electricity; CFD modeling was introduced to determine the influence of water vapor partial pressure of mixing flow, water condensation around leading edge and trailing edge of airfoil on the aerodynamic performance of airfoil and blade. The results show that the thin film around airfoil affects airfoil/blade performance so insignificantly to be neglected, while the water and vapor condensation has indirect effect on the blade contamination and icing; the foggy and rainy weather with micro water droplets will increase the air drag and deteriorate the turbine performance. In the case of high-temperature and high-humidity weather, the effect of air density should be considered for calculating the power generation. The blade contamination and icing are required for further investigation.

offshore wind turbine; damp air; condensation; Eulerian wall film model; aerodynamic performance

TK83

A

2096-2185(2016)02-0021-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11202128)

2016-08-12

薛宇(1962)，男，博士，風(fēng)能國(guó)家千人計(jì)劃專家，主要研究方向?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電，xueyu@cdt-kxjs.com；

劉燕(1986)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)氣動(dòng)優(yōu)化分析。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(11202128)