海上湿气对风力机翼型及叶片气动性能影响研究

薛 宇，刘 燕

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青岛华创风能有限公司，山东 青岛 266000;3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 昌平 102206)

海上湿气对风力机翼型及叶片气动性能影响研究

薛 宇1,2，刘 燕3

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 昌平 102206；2.青岛华创风能有限公司，山东 青岛 266000;3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,北京 昌平 102206)

潮湿的空气连同大雾、下雨天气以及冬天结冰都会引起风力机性能降低。为了研究高湿度对风力机性能的影响，首先利用数据分析了湿空气的密度和黏性属性，评估对发电量的影响。其次，采用数值模拟的方法研究了水蒸气凝结和水汽分压力对翼型和叶片的气动性能影响。研究发现：高湿度空气下，湿气流动及翼型表面水膜的形成对翼型气动性能影响很小，可以忽略不计，然而水汽凝结对叶片结冰及污染有间接效应；空气中有大量液滴的雾天或雨天，阻力增大导致叶片气动性能退化。高温高湿度天气时，密度变化对年发电量的计算不能忽略，叶片结冰和污染物黏结的情况也是需要进一步的研究内容。

海上风电；湿气；凝结；欧拉模型；气动性能

0 引言

海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、单机容量大、不占用土地、不消耗水资源以及适宜大规模开发等特点。作为可再生能源发展的重要领域之一，海上风电将成为推动风电技术进步、促进能源结构调整的重要发展方向[1]。由于受制于成本、技术等原因，过去数年我国海上风电发展速度远低于预期。与陆地风电相比，海上及潮间带风电机组所处的环境与陆地条件截然不同，海上风电技术远比陆地风电复杂，在设计和建设海上风场过程中，不得不考虑海上恶劣自然条件和环境条件带给我们的影响。如盐雾腐蚀、海浪载荷、台风破坏等制约因素。海上风电机组往往在高湿度盐雾环境下运行，但是风机功率曲线IEC测量标准针对的是陆上风力机，湿度很低，同时风切变数据可能不同于陆上，因此海上风电开发时需要了解评估这些因素对风电机组安全及效益的影响。

海上空气中含有大量水蒸气，旋转叶片表面可能发生凝结，潮湿的叶片表面容易沾污，寒冷低温环境下容易结冰，都会造成叶片性能下降[2-3]。在清晨，大雾天气(或雨天)，空气中混合着大量μm级的水滴，水滴遇到旋转的叶片，撞击叶片表面，可能造成叶片阻力升高，继而降低风力机的性能。此外，潮湿空气加剧了叶片表面的腐蚀。

本文以海上风电高湿度环境为背景，考虑湿空气的物理特性及凝结过程，重点从空气密度变化、翼型、叶片气动性能方面分析湿气对气动的影响，采用CFD方法研究水汽在叶片表面凝结及汇集形成水膜后对翼型及叶片气动性能的影响。需要说明的是海上风切和腐蚀不在本文讨论范围之内。

1 湿空气密度变化影响

空气流动所形成的动能称为风能。风能是太阳能的一种转化形式。太阳的辐射造成地球表面受热不均，引起大气层中压力分布不均，空气沿水平方向运动形成风。风轮将风动能转换成机械能，连接发电机，将机械能转换成电能。最典型的风力机是水平轴2叶轮或3叶轮风力机，3叶轮运行在上风向，正对来流风速。风力机产生的功率P可用式(1)计算：

(1)

式中：ρ为空气密度；A为扫风面积；V为风速；Cp为风能利用系数。风功率与空气密度和风力机的气动系数成正比。表1为不同湿度空气密度变化范围，可以看出湿度对空气密度的影响范围从0.57%到1.92%，即对功率的影响相同。相对湿度为水蒸气的分压力与相同温度下饱和蒸汽压力的比值。

以我国华南地区的海上风电场为例，风电场平均温度为20 ℃，平均相对湿度约为80%，密度变化对功率的影响约为0.41%，假设风电场容量为200 MW，由于湿度造成的损失约4 500 000kW·h/a，由此可见，湿度变化引起的功率损失不可忽略。

表1 空气密度随相对湿度变化Table1 Variation of air density with air relative humidity

注： 空气密度计算假设各湿度条件大气压力相同。

2 数值模型

对于翼型计算研究，首先采用组分输运模型研究2维翼型，然后采用欧拉壁面膜模型计算三维NACA63418翼型(见图1)。二维组分输运模型，利用用户自定义函数模拟翼型表面膜凝结。三维欧拉壁面膜模型可以求解水滴和空气在翼型表面的流动。

图1 翼型远场及局部网格Fig.1 Far-field mesh and local grid of airfoil

2.1 组分输运模型

湿空气为干空气和水蒸气的混合气体，组分输运模型将混合气体定义为一种二元混合气体，具有两者的物理属性，求解过程作为单相处理。湿空气密度按照不可压缩理想气体方程计算。

湿空气的控制方程如下所述。

质量方程：

(2)

式中：ρm为混合物密度，kg/m3；U为流速。

动量方程：

(3)

式中：p为混合压力，pa；τ为切应力张量；B为体受力向量。

能量方程：

(4)

组分质量：

(5)

(6)

式中：Sct为湍流施密特数；μt为湍流黏度，kg/(m·s)；Di,m为质量扩散系数。

2.2 膜凝结模型

图2 壁面凝结原理Fig.2 Schematic of the condensation model

模型采用BELL[2]蒸汽壁面冷凝模型。水蒸气扩散通过传质边界层，遇冷壁面释放潜热形成液膜，液体膜达到壁温，蒸汽扩散和凝结在气液截面持续发生，这一过程如图2所示[3]。冷凝率取决于蒸汽的扩散速率，反过来又取决于边界层的水蒸汽浓度差。在边界层的一端是大量混合流体，浓度取决于混合物的参数，边界层的另一端是凝结液体水膜和气体混合物界面。本研究假定在液体膜-水蒸汽混合物界面存在局部平衡，这意味着在界面处的水蒸汽浓度等于在膜温度下的饱和值。因此，膜界面温度决定了整个边界层的浓度差，并反过来控制冷凝率。

假设[4]如下所述。

(1) 由于水蒸汽通过组分边界层扩散导致冷凝。这个假设用于导出冷凝水体积数学表达式。

(2) 液膜和壁面存在热平衡，液膜温度Tfilm等于壁面温度Twall。

(3) 气液界面是饱和状态。即交界面水蒸气分压力等于壁面温度下的饱和蒸汽压力。结合假设(2)，壁面温度决定气液界面的蒸汽浓度，控制总的蒸汽扩散和通过边界层的浓度比。

(4) 不考虑液膜运动带来的影响。由于流体剪切力和重力，液膜可能运动，但是运动不影响空气流动和凝结。

(5) 分析仅限于膜状凝结，不考虑滴状冷凝。

(6) 液膜的热阻忽略不计。

由于模型是基于以上假设建立的，凝结速率取决于水蒸气朝壁面的扩散速率。空气和水蒸气各组分的质量流量方程为：

用户自定义函数中，假定壁面温度等于或小于表面水蒸气分压力对应的饱和温度时发生凝结。表2为凝结模型计算时的湿空气对应参数。如果温度高于饱和温度，水蒸气质量分数等于壁面邻近单元值。为了满足气液交界面局部热力学平衡的假设，当温度低于或等于饱和温度时，代表气液交界面的水蒸气质量分数被分配一个值，使得水蒸汽的分压等于水在局部壁面温度下的饱和压力。

混合物的体积质量源项为

(9)

式中：Acell wall为壁面单元面积；Vcell为计算单体体积。

水蒸气的体积质量源项为

(10)

表2 湿空气物理属性Table 2 Material properties for water vapor condensation UDF

2.3 欧拉壁面模型

欧拉壁面膜模型[5]，实体表面膜不需划分网格，以表面虚拟膜代替，不影响核心流动动量场，多数情况下，表面薄膜的分离、脱落、蒸发不影响核心流动场的流动。通常情况下，模拟此种类型薄膜需要极大的计算资源，尤其在多相工况下精确计算相间通量，需要极细的网格来模拟水膜，而欧拉壁面膜模型不需要划分水膜网格，同时可以预测收集效率、耦合离散相模型，满足模拟壁面收集液滴形成水膜过程的需求。文中将水分考虑为小液滴，液滴在表面汇集成水膜，计算不考虑相变。

质量守恒方程：

(11)

膜动量守恒方程：

(12)

式中：h为膜高度；ρl液体密度；s为表面梯度算子；平均膜速度；为每单位壁面积质量源;g为重力加速度。

膜能量守恒方程：

(13)

当离散粒子或液滴撞击壁面，会被液膜吸收，吸收后，其质量和动量增加到质量方程和动量方程的源项中，质量源项和动量源项分别为

(14)

(15)

质量源项：

(16)

表3为欧拉壁面膜型计算的对应工况下的含水量。

表3 不同湿度不同温度空气含水量Table 3 Water content in different humidity and temperature g/m3

3 湿度对翼型气动性能影响分析

对于目前流动数值计算，基于压力求解器，流动考虑为不可压缩流动，求解稳态、隐式NS方程。对于翼型、叶片湍流流动问题，采用切应力输运(SST)k-ω模型。压力速度耦合采用SIMPLEC算法，对流项采用三阶MUSCL空间离散。

表4为不同模型计算的6°攻角翼型的升阻力系数。分别对比2个模型25%湿度和90%湿度的升力系数、阻力系数和升阻比，发现组分输运模型和凝结模型，25%相对湿度的升阻比高于90%湿度，升力系数和阻力系数不尽相同，但是2种湿度下的差值非常小(小于1%)，考虑数值计算误差，可以认为组分输运模型和凝结模型下，湿气对升力系数和阻力系数的影响不大。

与重雨条件下翼型或叶片的行为相似[6-12]。因为阻力系数明显高于其他模型，可能存在一些不确定因素，因此，主要通过欧拉模型研究翼型、叶片表面的凝结水分布。叶片表面凝结水分布或液滴撞击形成水膜引起其他气动性能衰减的行为，如图3—4所示的潮湿条件下叶片表面黏结[11-12]和寒冷条件下结冰[13-14]。

当采用凝结模型计算时，发现当流体温度与翼型表面温度差越大，翼型表面凝结出的水质量流率越大，且湿度越大，情况越明显。通过图5不同温差下翼型周围凝结质量流率的曲线图及图6翼型表面凝结质量流率云图可以发现，凝结质量流率较大的区域在前缘及尾缘区域，主要是翼型下表面前缘和上表面后缘，因此在实际风力机运行中，该区域由于表面水的存在，更容易引起表面污染物(昆虫、颗粒等)黏附。图6显示不同湿度翼型表面的压力系数曲线，压力系数曲线形状与凝结流率曲线形状近似，且随湿度变化，压力系数基本不变。

表4 各种模型下的翼型气动性能Table 4 Airfoil performance with various condensation models

注：Re=3×106；攻角为6°。

图4 叶片表面结冰Fig.4 Ice on turbine blade

图5 翼型表面凝结质量流量和压力系数曲线(VF model)Fig.5 Condensation mass flux and pressure coefficient around airfoil using VF model

图6 翼型表面凝结质量云图(VF model)Fig.6 Contours plots of condensation mass flux on Airfoil with 3D VF model

图7为欧拉模型计算的不同位置及各种工况的近似分离点空气速度向量图(攻角为10°)。对比截面不同风速、温度、湿度下的速度向量，发现相同温度、相同风速时，90%湿度较50%湿度提早发生分离，即湿度越大，分离位置越靠近前缘；相同温度、相同湿度时，低风速分离趋势越明显；相同风速、相同湿度条件下，空气温度越高，分离位置越靠前，说明温度越高，含水量越多，容易导致分离。图8显示翼型周围流动特征和翼型表面湿气的凝结区域(攻角为10°)。结合翼型表面凝结云图发现，水分凝结主要在前缘地区，负压侧水含量高于压力测。

表5为欧拉壁面膜模型计算的2种攻角下不同湿度工况下的升力系数、阻力系数、总的膜厚度、膜质量及整体的体积分数。

图7 边界层速度向量(EWF Model)Fig.7 Vectors of air velocity(EWF Model)

图8 翼型周围流场及表面膜厚度(EWF Model)Fig.8 Contours plots of water film thickness around airfoil (EWF Model)

通过对翼型表面湿空气流动分析发现，湿气整体上对翼型的气动性能影响非常小，湿气对翼型的影响主要是水分在翼型表面凝结或汇聚，容易引起污染物的黏附。通过分析翼型表面水汽凝结及表面水膜汇集分布，为翼型或叶片有针对性的防护提供借鉴。

4 结论

以海上高湿度环境为背景，采用组分输运、凝结模型、欧拉壁面膜模型数值模拟了不同湿度下的翼型及叶片气动性能。研究发现，高湿度对高温条件下的密度有相当大的影响，对翼型/叶片的气动性能影响不大，水汽会在翼型或叶片的前缘和尾缘位置凝结，凝结造成叶片表面潮湿，导致在脏的环境中非常容易沾污，在寒冷低温天气下容易结冰。

表5 翼型欧拉壁面模型计算数值Table 5 Calculation results of EWF model on 1 200 steps

高湿度空气中的水滴在翼型表面汇集，形成水膜，影响边界层流动。海上风力机或岸边风力机，周围空气中湿度大，水滴颗粒或盐粒在叶片表面聚集，影响功率输出。

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薛宇

(编辑 蒋毅恒)

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

国家自然科学基金项目(11202128)

2016-08-12

薛宇(1962)，男，博士，风能国家千人计划专家，主要研究方向为海上风力发电，xueyu@cdt-kxjs.com；

刘燕(1986)，男，博士研究生，主要研究方向为风场气动优化分析。

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