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摘要：运用CFD流场仿真和声学计算技术，研究了一种用于低风速风电机组塔筒减振降载方法，通过涡流发生器的设计、计算分析，发现装配了该涡流发生器的塔筒流动分离得到了抑制，实现了减振降载的目的，具有良好的实际工程意义。
关键词：涡流发生器；减振降载；
1.引言
近年来，我国风电开发的重心逐渐向低风速地区转移，风电厂商们通过不断加长叶片来提高机组发电量。但是叶片不可能无限地增长，因为叶片的增长会使机组承受的载荷增加。因此，应摸索其它方法来提高低风速地区风电机组发电量，通过增加塔筒高度来提高风机可利用小时数便是一个可行的途径。传统的塔筒在100米以后，重量会随高度呈指数级增长，所以，塔筒的出现应运而生。
与传统的塔筒相比，塔筒的刚度相对较小，在同样的风况下，振动比较大，这对塔筒自身、叶片及传动系统均会产生不利影响。因此，适当地降低塔筒振幅对于提高风机安全性、延长疲劳寿命具有重要意义。通过涡流发生器抑制塔筒背风区的流动分离从而降低作用于塔筒的气动载荷，是塔筒减振的一个可行的途径。
2.塔筒气动分析
在对塔筒进行流动控制之前，首先应了解塔筒周围流场的气动特性。以某120米塔筒几何模型为例。在实际的塔筒设计中，塔筒分为几节，并通过法兰连接，为了简化计算，此处将塔筒作为一个整体来进行处理。计算域长度为塔筒最大直径（4.3m）的18.6倍，其中上游流场区域长度为塔筒最大截面直径的7倍，下游流场区域长度为最大直径的11.6倍；计算域宽度为塔筒最大直径的9.3倍，左右两侧各为4.65倍；计算域高度为180m。采用八叉树法对计算域进行四面体/混合网格划分，生成的网格。其中，在塔筒表面生成棱柱层网格，用以模拟塔筒壁面上的边界层效应。
由于塔筒下游流场会有很多的分离涡从塔筒脱落，因此，可以采用大涡模拟的方法来进行仿真。边界条件设置：计算域入口为速度入口，出口为压力出口。在Fluent中计算了不同来流速度下塔筒周边的流场状况。
3.塔筒流固耦合分析
在Workbench平台中可以搭建流体模块与固体模块之间的联系，从而进行流固耦合的计算。首先，在Fluent中对塔筒周围的流场进行了CFD计算，由于在塔筒后方会有分离涡不停地从塔筒上脱落，因此可以采用大涡模拟来对流场进行计算。在完成Fluent计算之后，将Fluent计算结果导入到Workbench的固体计算模块StaticStructural中，并对塔筒承受的载荷进行计算。流固耦合的计算流程如图1所示。
图1流固耦合计算流程
4.涡流发生器设计
涡流发生器通常由安装在气动表面上的小翼面或平板组成，这些小翼面或平板通常与当地流动速度成一定夹角，从来诱导出一些列的流向涡。流向涡在流动的过程中会与下游的边界层相互作用，通过掺混向边界层注入能量从而使边界层能够承受更高的逆压梯度。因而边界层能够附着在气动表面而不发生分离。
传统上的平板涡流发生器主要有同旋涡和对旋涡两种布置型式。对于风机塔筒来说，风向会经常变化，当风向相反时，传统涡流发生器可被视为钝头体，会产生较大的形状阻力。因此，在本研究方案中，提出了一种新型的涡流发生器，其示意图见图2。对于该涡流发生器方案，即便风速从相反方向吹来时，该涡流发生器亦不能被视为钝头体，产生的阻力相对较小。
图2本研究中采用的新型涡流发生器示意图。
5.带涡流发生器的塔筒气动分析
在涡流发生器的效果在圆柱上得到验证之后，在塔筒上尝试着应用了涡流发生器，涡流发生器以圆形的型式分布在塔筒上。在每一个布置涡流发生器的平面上，涡流发生器以45的间隔安装在塔筒表面，即有八组涡流发生器安装在一个平面上。在垂直方向上，相邻的涡流发生器安装平面的间隔为600mm，且相邻安装平面内的涡流发生器存在15的相位差，即每一个安装平面内的涡流发生器相对于上一个安装平面内的涡流发生器绕塔筒轴线偏转了15，这样涡流发生器可以分布在塔筒上各个方位处。
在额定状态下（风速为8.8m/s,湍流度为14%）对塔筒周围的流场仿真结果如图3所示，为距离地面98m截面上的流场仿真结果。安装有涡流发生器时，塔筒后方的回流区明显变窄变短，且回流区的回流速度也变得更小，由此可见，在涡流发生器的作用下气流的分离得到了抑制。
(a)(b)
图3塔筒周围流场的无量纲化流向速度云图:(a)不带涡流发生器；(b)安装有涡流发生器；来流速度为8.8m/s。
6.总结
本文研发了一种用于低风速风电机组塔筒减振降载技术，通过涡流发生器的设计、仿真分析，发现装配了该涡流发生器的塔筒流动分离得到了抑制，表明达到了减振降载的目的，具有良好的实际工程意义。
［参考文献］
无