1、中國工程熱物理學會 流體機械學術會議論文 編號：097086基于仿生原理風電葉片氣動控制研究宋娟娟1,2，張明明1，徐宇1，黃宸武1,2，徐建中1(1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院研究生院，北京 100049)(tel: email: jjsong)摘要: 風電機組運行受環境條件影響較大。結冰、昆蟲污染以及沙塵侵蝕都將對風電葉片表面粗糙度產生影響，從而導致整個風電機組性能惡化、壽命縮短。目前加熱或停機清洗方案均需耗費大量的人力和物力；表面貼膜造價高又需要經常更換，影響了風力機的經濟運行。國際學術界在仿生學上的最新研究成果，為這些問題

2、的解決帶來了新的思路。因此本文嘗試應用仿生學原理對風電葉片結構進行改進，以期解決環境造成的影響，達到控制風電機組的氣動性能的目的。關鍵詞: 風力機; 葉片; 氣動控制; 增升; 減阻0前言風電機組在風場運行過程中，其氣動性能受環境影響較大，惡劣的環境會對風電葉片表面粗糙度產生影響，從而導致整個風電機組的性能惡化、壽命縮短。我國風資源主要集中在北部、西北、東北的草原和戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼。這些地區在冬春季風速高，雨水少，氣候寒冷或干旱似沙漠；在夏季則風速小，降雨多，氣候溫濕。這樣的氣候條件都會給機組帶來不利影響。在寒冷季節，風電葉片乃至整個風電機組外表會產生結冰現象。冰雪初期的

3、附著對葉片氣動性能影響不大，反而在一定程度上，風力機會因失速延遲而使輸出功率增加；隨著結冰的加劇，葉片的氣動載荷會產生急劇變化，從而給運行帶來了潛在的危險。在某些情況下，嚴重的結冰可能會導致風電機組完全癱瘓，造成大量的能量損失，據統計其年損失發電量可高達20-50%1。此外，冰塊從旋轉的葉片上脫落并甩出也會給周邊的建筑、交通和行人帶來安全隱患。甚至還會造成風力機的損壞2。在濕熱季節，適宜的溫濕度適合各類昆蟲的存活。當氣溫在10以上、風速較低時，昆蟲撞擊葉片并粘附在葉片前緣造成了污染3，使得前緣粗糙度增加，進而導致氣流摩擦阻力的增加，影響了風電機組的功率輸出。昆蟲污染程度較低時，功率損失約為8%

4、；污染程度較高時，功率損失則可達到55%4。這對于風電機組的經濟運行是非常不利的。雖然昆蟲很少在高風速條件下飛行，但是在低風速條件下昆蟲堆積已經造成了葉片前緣的污染也將影響高風速時的風電機組的氣動性能，增大摩擦阻力，降低功率的輸出。葉片污染越嚴重，其失速越快，升力損失也越多。在干旱季節，雖然沒有結冰和昆蟲污染現象的困擾，但是大風從地面卷起的塵土和沙粒會撞擊、侵蝕葉片，尤其是葉片前緣。與昆蟲污染葉片帶來的影響相似，葉片前緣變得粗糙，氣動性能惡化，功率輸出減少，壽命降低。上述氣候條件都會破壞風力機葉片原有的氣動性能，最終導致發電量的減少。為應對環境給風力機的經濟、安全運行造成的影響必須找到一種行之

5、有效的解決方法。人們發現一些關于植物和動物的相類似的功能，超越了人類自身在此方面的技術設計方案。這個思想在生物學和技術之間架起了一座橋梁，并且對解決技術難題提供了幫助。因此，本文嘗試應用仿生學原理對風電葉片結構進行改進，以期有效解決上述問題，達到控制其氣動性能的目的。1現有解決方案 1.1解決結冰問題近年來，人們已經進行了深入研究，并采用航空領域的一些方法，來防止結冰現象的發生。在冰雪附著初期，因其結構不太密實，通常在葉片上安裝加熱系統，采取直接電阻加熱的方法防止葉片結冰，這種方法在實踐中取得了良好的效果5。也有在葉片表面涂刷黑色涂層6，通過光照吸熱來使冰雪融化；但是在夏季高溫條件下，葉片材料

6、的高溫敏感性會受到黑色涂層影響。此外，在葉片內部采用熱空氣或者其他一些熱輻射的間接加熱方式也有應用。但是隨著冰雪在葉片上的不斷堆積，簡單的加熱和貼膜是不能使冰雪完全融化并脫離葉片的。1.2解決昆蟲污染和風沙侵蝕問題自然降雨對葉片的沖刷可在一定程度上緩解昆蟲和沙塵污染的問題，但很大程度上取決于天氣條件；而人工清洗則需在風力機停機狀態時來進行。因此人們提出一種新的可控的葉片清洗方式，即將水向空氣中噴灑，使清洗工作在風力機運行的情況下即可完成7。隨著風力機專用翼型族的不斷開發與改進，前緣低粗糙度敏感性已經被設計者們列入到了優化目標之中，這將為風力機的高效運行提供保障。此外，不粘涂層和納米復合材料貼層

7、的優異性能，也可以防止昆蟲、沙塵在葉片上的附著以及對葉片的撞擊和侵蝕。n.dalili對表面涂層在風電葉片上的應用進行了深入的研究和詳細的闡述4。2仿生學簡介仿生學的問世開辟了獨特的技術發展道路，大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。國際學術界在仿生學上的最新研究成果，為以上問題的解決帶來了新思路。仿生學是參照生物的優良結構和特性，為工程技術服務的科學，是生物科學與工程技術科學的交叉學科。仿生技術是通過模仿各種生物系統所具有的功能原理和作用機理來推動技術的創新和發展。在現實生活中，仿生技術成功應用的例子很多，例如，仿生學家們根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿制出可以檢測氣體成分的氣體分析儀；根

8、據螢火蟲可發出冷光這一現象，成功得到類似生物光的人工冷光；由電魚的放電本領研究出發，設計出世界上最早的伏特電池；仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀；建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷；吉林大學研制的仿生深松鏟就比傳統鏟省力（減阻19%），甚至比日本島根公司的名牌鏟要好用（減阻6%-8%）8；美國人仿照鯊魚皮原理制成的新型環保涂層，為海軍艦艇有效擺脫海底生物的騷擾，提高航行速度、節省燃料起到了作用。土壤動物和大型海生動物的體表形態特征，已被證明具有減阻增升作用，并且已應用在相關領域。形態仿生已成為仿生

9、領域研究的熱點。因此，嘗試在風能領域引入仿生設計的理念，必將為風電葉片的減阻增升和氣動性能的提高帶來新的進展。以下將從仿生形態出發，以仿鯨魚鰭、鯊魚皮、海豚皮以及生物非光滑表面為例來闡述它們在風電葉片氣動控制方面的研究情況應用的可能性。3基于仿生原理的解決方案3.1 仿鯨魚鰭鯨魚鰭具有凹凸不平的表面，其中突起的部分有助于形成渦旋，這些渦旋以更平穩的方式給鯨魚帶來更大的動力，較大程度的減小阻力。這一事實，已被風洞的實驗所證明，帶有鯨魚鰭前緣結構的葉片模型與光滑葉片模型相比，可在較大攻角下實現平緩失速，且在不增加阻力的同時提高了升力9。兩種情況下的失速角分別為16.3和12；前者最大升力略有增加；

10、攻角在12-17時前者阻力系數較后者小，而在10-12范圍內，前者的阻力系數略大；前者的最大升阻比較前者有所提高。如圖1所示。 圖1 風洞實驗升力、阻力曲線圖。實線表示光滑模型，三角形表示仿鯨魚鰭的葉片模型。a)升力系數cl; b) 阻力系數cd; c)升阻比l/d; d)光滑模型與仿鯨魚鰭模型10.derrick custodio11對naca63-021進行的水洞實驗表明，仿鯨魚鰭的翼型升力增加平滑，失速前在一定攻角范圍內其升力系數小于光滑翼型，但是最大升力系數比光滑翼型增加50%以上。watts等人12采用面元法對翼型段進行計算得出，攻角為10時，仿鯨魚鰭結構的翼段與光滑翼段相比，其升力

11、增加4.8%，阻力減小10.9%，升阻比提高17.6%。paterson等人13采用雷諾平均n-s方程方法(rans)對naca63-021進行了非定常數值模擬。與光滑翼段相比，仿鯨魚鰭結構的翼段的流動分離方式和表面壓力分布都有很大的改變（如圖2所示）。在前緣波峰部分的下游，分離甚至可推遲至尾緣，這可能是由于吸力面上的壓力增加所致；前緣波谷的下游則會產生弦向渦；此外，流體繞過凹凸結構之后，流動會加速。這些現象都將導致失速線在翼段上的進一步推后。流體在仿鯨魚鰭翼段可比在光滑翼段上較長時間保持附著流動，流體將被引導環繞突峰運動，在葉片吸力面形成渦漩，增強與自由層動量交換，因而降低負壓梯度，由于湍流

12、邊界層中含能比層流邊界層中多，使得邊界層分離推遲14。采用仿鯨魚鰭的方式，期望能夠在實現減阻增升的同時，可以利用其漩渦使得沙塵等異物不能直接接觸到葉片表面，減少沙塵、昆蟲等對葉片的沖蝕。 圖2 naca63-021在攻角為10時的等壓線與流線圖。左圖為光滑翼段，右圖為仿鯨魚鰭翼段。3.2 仿鯊魚皮和海豚皮鯊魚和海豚是海洋生物中游動速度較快的一種，它們的快速游動和表皮的結構（鯊魚的鱗呈盾狀，表皮非常粗糙，皮膚的分子結構呈矩形排列，表面有許多微小的突起；海豚在游動時皮膚收縮，上面形成很多小坑，此外它的特殊的柔性壁面15-16使得壁面剪切力和總的剪切力減小）給人們帶來了啟發。于是人們開始探索仿鯊魚皮

13、和仿海豚皮的減阻技術，圖3（b）（c）就是將鯊魚皮結構簡化后得到的一種簡易結構，稱為二維和三維肋條。圖4是實驗室用人造海豚皮。美國海軍研究部門仿制的人工海豚皮用于潛艇表面，使潛艇的航速成倍提高。 圖3 (a) 顯微鏡下的鯊魚皮結構 (b) 仿鯊魚皮的二維肋條結構 (c)仿鯊魚皮的三維肋條結構圖4 實驗室用海豚皮nasa蘭利研究中心是最早開展平板肋條減阻技術研究的代表，他們發現順流向的微小肋條表面能有效降低壁面摩阻；當肋條高度h和間距s的無量綱尺寸h+25和s+30時具有減阻特性，減阻效果最佳時肋條的尺寸為h+= s+=15，這時可減阻8%。17-23隨著航空業的發展以及日益嚴重的能源短缺問題，

14、飛機減阻方面的研究越來越受到關注。飛機飛行時的表面摩擦阻力占其所受總阻力的40-50%，即使減阻程度很小都可能會帶來相當可觀的能源節約24。美國3m公司生產的微尺度v形肋條膠膜，為肋條減阻的研究和應用提供了很多的便利。coustols和cousteix25在低風速條件下對lc100d翼型段吸力面貼肋條膠膜，測得攻角為0和2時，總阻力減小約為2%。caram和ahmed26對naca0012翼型段零攻角時近尾緣處的尾跡區湍流流動進行了研究，肋條高度h=0.152mm時總的減阻達到13.3%，h=0.076和0.023mm時分別為2.7%和7.3%，減阻率不是隨h單調變化，且比其他文獻中的測量值高

15、很多，可能是由測量精度誤差造成。viswanath27-29對低風速條件下攻角范圍為0-12的naca 0012翼型段采用尾跡測量法進行了減阻實驗，在上下表面80%的弦長范圍沿流向貼附了肋條貼膜。肋條高度h=0.152mm、零攻角情況下，減阻7%；攻角為6時，減阻高達13%。空客a320試驗機約70%的表面積貼上肋條薄膜，達到了節油1-2%的效果。nasa蘭利中心在learjet型飛機上進行飛行試驗，減阻約6%。李育斌等人30在1:12的運七模型具有湍流流動的區域，順流向粘貼肋條薄膜后，得到了5-8%的減阻效果。海豚及鯊魚游動時，其肋條狀結構的表皮減小了阻力。肋條具有減阻效果與形成的表觀起點3

16、1-32（如圖5所示）有關。在表觀起點以下，凹槽內的流動為粘性所阻滯,相當于增加了粘性底層的厚度,減小了壁面上的平均速度梯度,使邊界層內整個湍動變化減小,從而使肋條表面的摩擦阻力減小。此外，流向與肋條布置夾角的不同也將影響減阻效果。順流向布置的肋條可抑制縱向渦的發展和湍流邊界層猝發過程的發生，從而減小阻力。而橫流向布置的肋條會阻礙流動，因此順流向肋條減阻方式多被采用。圖5 肋條表面的縱向流動與橫向流動3.3 仿土壤生物非光滑表面土壤生物能夠適應自然環境，整個體表都具有脫附減阻能力，基于生物非光滑形態設計的仿生非光滑推土板及仿生犁壁，具有良好的脫附減阻性能。田麗梅等人對回轉體非光滑表面33-39

17、進行了實驗研究及數值模擬，凹坑（凹環）和凸包表面都可使總阻力有一定程度的減小。凹坑（凹環）單元內部存在低速旋轉氣流，它的作用相當于“滾動軸承”，使高速來流與凹坑內部氣流形成氣氣接觸，可以減小凹坑單元壁面附近的速度梯度，從而減小表面摩擦阻力。凸包單元可以減少表面接觸面積，從而減小表面摩擦阻力。同時，非光滑表面可使相對于運動氣體微團對固體表面阻力發生改變，導致流動從層流向湍流轉捩，從而推遲分離的發生，減小壓差阻力40。3.4 小結以上采用仿生技術推遲失速，增升減阻，主要通過控制邊界層的分離來實現：延遲層流到湍流邊界層的轉捩和提前轉捩兩種途徑。層流邊界層的摩阻低于湍流，而湍流邊界層承受逆壓梯度的能力

18、較強，具有強烈的混合效應，有利于削弱分離。目前該方面的應用研究還只限于單一流體在航空與水下航行器作用時的效果分析。風電葉片與航空翼型存在相似性，因此，結合風電場實際情況，在風電葉片上氣動控制方面進行仿生研究，將會帶來巨大的實用價值。 4 總結與展望（1）目前的仿生減阻成果大多應用在航空與水下航行器等方面，將其拓展應用到風力機上實現有效減阻很有現實價值。針對風力機防結冰和抗風沙、昆蟲侵蝕的仿生研究還有待人們進一步去探索。（2）飛機翼型與風力機專用翼型設計的氣動性能要求不同，運行環境也存在很大差異，因此風力機減阻和氣動控制的方法也應不同。其工程應用可以根據實際情況進行研究，前景非常廣闊。（3）多樣

19、化的減阻方式與聯合減阻技術的研究開展，必將進一步促進風力機在多變氣候環境下的仿生減阻及氣動控制研究。（4）采用數值模擬計算和實驗相結合的研究方法，可以進行相互驗證，盡量實現時間和成本的最優化。計算方法、實驗測量手段都是值得深入研究的方向。（5）因涉及湍流邊界層結構問題，目前的仿生機理性研究還只是處于推測，其真實機理的最終揭示還需要人們繼續探索。參考文獻1 talhaug l, vindteknik k, ronsten g, et al. wind energy projects in cold climates. 1st ed. executive committee of the inte

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