方玉財, 高志鷹,閆萌萌, 陳永艷

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2. 風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

風(fēng)力機(jī)作為轉(zhuǎn)換風(fēng)能為電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，工作運行條件極其復(fù)雜多變，其運行過程中不可避免地產(chǎn)生振動[1-3].而隨著人類對風(fēng)能資源開發(fā)利用程度的加深，風(fēng)力機(jī)逐漸大型化，葉片也更長更柔，在運行過程中多變的外力和葉片彈性變形相互激勵，使葉片振動變形加劇[4-5].這種振動會使葉片偏離設(shè)計點，對風(fēng)輪流場特性產(chǎn)生較大的影響.而風(fēng)輪流動特性是判定風(fēng)力機(jī)優(yōu)劣的方法之一[6-7].丁勤衛(wèi)等[8]模擬研究了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)葉片振動特性，得出揮舞振動為振動能量的主要部分.GONZALEZ等[9]、BARLAS等[10]研究了二維翼型撲翼運動氣動力變化情況，但并未對三維振動風(fēng)輪進(jìn)行研究.朱由鋒等[11]分析了彎振與擺振耦合情況下葉片氣動力變化，得出彎振為主要影響因素，但并未對流場特性進(jìn)行詳細(xì)介紹.張俊紅等[12]、岳萍等[13]研究了流固耦合作用下葉片振動特性.結(jié)合以上研究，文中主要進(jìn)行風(fēng)力機(jī)在三維運動狀態(tài)下葉片揮舞振動后流場特性的非定常研究.

1 計算模型

1.1 大渦模擬

水平軸風(fēng)力機(jī)在三維旋轉(zhuǎn)過程中可以看作一個低速流體流動的過程.將空氣假設(shè)為不可壓縮流體.對能量守恒研究時主要考慮質(zhì)量守恒與動量守恒.文中為了得出更加精確的計算結(jié)果，在進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪非穩(wěn)態(tài)計算時湍流模型選擇大渦模擬，其主要利用Smagorinsky-Lilly模型進(jìn)行計算，對不可壓縮N-S方程進(jìn)行求解.得出公式

(1)

(2)

式中：τij為亞格子應(yīng)力.

1.2 葉片振型

通過在葉片表面布置若干對加速度傳感器，利用力錘進(jìn)行單點激勵，多點響應(yīng)方法，得出葉片的揮舞振型.通過模態(tài)試驗得出：揮舞振動的能量主要集中在低階振動上，因此，文中通過考慮施加低階揮舞振動進(jìn)行研究.圖1為通過模態(tài)試驗所得出的葉片在一階振動及二階振動的效果示意圖.

圖1 葉片振型圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立如圖2a所示的計算域.計算域分為3部分：從里至外依次為旋轉(zhuǎn)域、加密區(qū)、靜止域.在旋轉(zhuǎn)域與靜止域間添加加密區(qū)，目的是使網(wǎng)格尺寸更好地過渡，以保證網(wǎng)格質(zhì)量.數(shù)值模擬中既需要考慮風(fēng)輪附近流場的精確性又需要優(yōu)化計算速度.經(jīng)多次驗證，當(dāng)計算域進(jìn)口離風(fēng)輪2D.出口5D(D為風(fēng)輪直徑)時可以保證計算速度與精度，尾跡后方不會出現(xiàn)回流，滿足計算要求.在Mesh中利用體網(wǎng)格加面網(wǎng)格的方法可以優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量.經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)約為380萬時，網(wǎng)格質(zhì)量符合計算要求,如圖2b所示.

圖2 模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

由于來流通過風(fēng)輪后，其尾跡壓力與速度在未計算時處于未知量，因而出口設(shè)置為自由流作為邊界條件.入口設(shè)置成來流風(fēng)速.

靜止域與旋轉(zhuǎn)域之間通過設(shè)置Interface1,2面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞.風(fēng)輪包絡(luò)面設(shè)置為Moving wall，運用動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行葉片振動的控制.旋轉(zhuǎn)域采用滑移網(wǎng)格(moving mesh)，模擬風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn),采用無反射邊界(non-reflecting boundary)進(jìn)行計算.

3 結(jié)果分析

3.1 速度場分析

為了探索施加低階揮舞振動對風(fēng)輪尾跡速度場的影響，在風(fēng)力機(jī)額定工況(λ=5、v=8 m/s)時，截取風(fēng)輪1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，不同時刻下速度云圖,如圖3所示.

從圖3中可以看出,施加低階揮舞振動后風(fēng)輪尾跡速度場整體流動變得更加復(fù)雜，速度變化強(qiáng)度較明顯.分析尾跡中心虧損區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，在相同瞬態(tài)時刻下非振動風(fēng)輪尾跡中心區(qū)域和葉片中部附近速度虧損嚴(yán)重，而施加振動后風(fēng)輪尾跡中心區(qū)域速度虧損程度相對減小，葉片中部附近并未發(fā)現(xiàn)明顯虧損，疊加振動相對于一階揮舞尾跡中心速度虧損程度更小，下1/4 周期內(nèi)風(fēng)輪在3種運動狀態(tài)下的尾跡中心速度虧損程度與上一周期基本一致.

其次，通過分析葉尖虧損區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)：相同瞬態(tài)時刻非振動條件下葉尖位置速度虧損較小，施加一階揮舞振動后葉尖位置虧損明顯，且在上游與下游虧損程度存在較大差異，上游虧損較為嚴(yán)重，而施加疊加振動后葉尖位置同樣出現(xiàn)虧損，但上游與下游虧損程度接近一致.施加振動后葉尖處速度虧損較大的原因是施加振動后，葉尖位置處振動變形量相對較大，流體通過風(fēng)輪葉尖位置流體繞流變得更強(qiáng).

圖3 風(fēng)輪尾跡軸向速度云圖

施加振動后葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)引起的速度增益區(qū)相對于未施加振動較大，且由未振動情況可明顯看出單個葉尖渦引起的局部速度增大；施加振動后在接下來1/4周期內(nèi)均發(fā)現(xiàn)葉尖渦效應(yīng)區(qū)徑向膨脹，且疊加振動膨脹趨勢更為明顯.

選取某一相同時刻，分析不同軸向位置處沿徑向的速度分布情況，如圖4所示.

圖4 振動前后不同軸向位置速度分布

文中定義某一區(qū)域內(nèi)速度相對于非振動而言有較大幅度的提升，但此時速度并未超過來流速度，該區(qū)域稱為“相對速度增益區(qū)”.由圖4b可以看出，施加一階揮舞振動后，軸向0.5D，1.0D處在葉中附近產(chǎn)生“相對速度增益區(qū)”；而施加一、二階疊加振動后，在軸向0.5D，1.0D，2.0D，3.0D處，徑向在葉中附近均出現(xiàn)“相對速度增益區(qū)”.

比較一階振動與疊加振動可知：施加疊加振動后的“相對速度增益區(qū)”距離較一階揮舞振動有所增加.原因在于一、二階疊加振動比一階揮舞振動的振動強(qiáng)度更大，因而對風(fēng)輪尾跡速度影響更遠(yuǎn).通過下節(jié)對風(fēng)輪振動前后渦量場分析可知：“相對速度增益區(qū)”的產(chǎn)生是由于施加振動后風(fēng)輪表面附著渦增加的緣故.

其次，葉片施加振動后，由于在葉片中部位置產(chǎn)生了“相對速度增益區(qū)”,而葉尖部位出現(xiàn)速度虧損區(qū)，因而，較非振動而言，施加振動后葉片上將形成較大的速度差，而較大的速度差會使得整只葉片受力更加不均勻，出現(xiàn)較大的壓差.以上因素導(dǎo)致施加振動后會對風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大危害，加速葉片的損壞與斷裂.

3.2 渦量場分析

圖5為施加振動前后風(fēng)輪尾跡渦量Ω云圖.從圖5a中可以清晰發(fā)現(xiàn)：未施加振動時葉片在葉尖處產(chǎn)生較強(qiáng)的葉尖渦，且葉尖渦形成后，隨著風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，葉尖渦逐漸往下游脫落，且脫落運動軌跡明顯.而施加振動后，在葉尖部分渦量較非振動時強(qiáng)度增強(qiáng)，且葉尖渦形成摻混，葉尖處渦的脫落較非振動時有延遲.這主要是因為施加振動后葉片在葉尖處變形量最大，來流經(jīng)過葉尖位置時形成的擾流較大.其次，由于振動會影響葉片的氣流分離，因而，施加振動后風(fēng)輪表面附著渦強(qiáng)于非振動，這與云圖規(guī)律相一致.同時下一個1/4周期內(nèi)風(fēng)輪在3種運動狀態(tài)下的尾跡渦量場分布規(guī)律與上一周期基本一致.

為了定量研究風(fēng)輪在不同運動狀態(tài)下，風(fēng)輪尾跡后方的渦量耗散分布規(guī)律，選取不同軸向位置處渦量分布的變化情況進(jìn)行分析.圖6為風(fēng)輪在3種運動狀態(tài)下渦量耗散分布情況.

圖5 振動前后風(fēng)輪尾跡渦量圖

Fig.5 Vorticity diagram of wind wheel wake before and after vibration

由圖6a可以看出，非振動時渦量沿尾跡中心呈現(xiàn)對稱分布趨勢，且在尾跡中心與葉尖渦影響區(qū)域分別出現(xiàn)渦量峰值.從圖6b,6c可以看出，施加振動后渦量分布與非振動相比更加復(fù)雜，尤其是靠近風(fēng)輪附近處.施加振動與非振動相比，施加振動后在軸向0.5D,1.0D位置處渦量沿尾跡中心呈非對稱分布，且在葉尖渦附近處耗散速率逐漸增大.其次，無論是振動還是非振動，隨著軸向距離的增加，整體渦量值均逐漸減小.

3.3 脈動壓力分析

圖7，8，9分別為風(fēng)輪在非振動、一階振動、一二階疊加振動3種運動狀態(tài)下不同徑向位置s壓力脈動變化規(guī)律.時域圖為 1.10～1.35 s風(fēng)輪2個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)壓力脈動p的變化情況，從圖可以發(fā)現(xiàn)：非振動與施加振動后在0.3，0.5，0.7 m 3個監(jiān)測點處的壓力脈動均呈現(xiàn)周期性波動.徑向0.5 m監(jiān)測點的壓力脈動波動最為明顯，葉尖0.7 m監(jiān)測點的壓力脈動波動范圍次之，0.3 m波動最小.比較振動與非振動情況：施加振動后相同監(jiān)測點的壓力脈動與非振動相比有明顯提升，波動范圍更加明顯.

Fig.7 Pressure pulsation at different radial positions when non-vibrating

圖8 一階振動時不同徑向位置處壓力脈動

Fig.8 Pressure pulsation at different radial positions during first-order vibration

對圖9a中數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變化后得到圖9b所示的壓力脈動頻譜圖.從頻譜圖中可以看出，各監(jiān)測點壓力脈動的頻率主要集中于基頻及其倍頻上.其次，在相同監(jiān)測點0.5 m位置處風(fēng)輪在非振動基頻處的通過幅值A(chǔ)為14.67，在一階振動及疊加振動分別為21.32,19.15，較非振動分別增長了6.65,4.48.由此可見：施加振動后監(jiān)測點幅值明顯大于非振動時.

圖9 疊加振動時不同徑向位置處壓力脈動

Fig.9 Pressure pulsation at different radial positions when superimposing vibration

4 結(jié) 論

運用ANSYS仿真軟件對風(fēng)輪非振動、施加一階振動及一二階疊加揮舞振動后近尾跡流場特性進(jìn)行研究.文中得出以下結(jié)論：

1) 引入了“相對速度增益區(qū)”的概念，得出葉片施加揮舞振動后，葉片中部位置產(chǎn)生了“相對速度增益區(qū)”，而葉尖部位出現(xiàn)速度虧損區(qū)，這也揭示了施加振動后葉片將更易出現(xiàn)折斷等危害.同時，施加振動后在1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)均發(fā)現(xiàn)：葉尖渦效應(yīng)區(qū)會產(chǎn)生徑向膨脹，且疊加振動膨脹趨勢更為明顯.

2) 非振動時渦量沿尾跡中心近似呈對稱分布趨勢，且在尾跡中心與葉尖渦影響區(qū)域出現(xiàn)渦量峰值.0.5D,1.0D軸向位置處渦量沿尾跡中心呈現(xiàn)非對稱分布，且施加振動后葉尖渦附近處渦量耗散速率逐漸增大.

3) 壓力脈動均呈現(xiàn)周期性波動.徑向0.5 m監(jiān)測點的壓力脈動波動最為明顯，各監(jiān)測點脈動壓力主要頻率集中基頻及其倍頻.