時間步進自由尾跡方法建模及水平軸風(fēng)力機氣動性能分析.pdf

1、在風(fēng)力機的設(shè)計和校核過程中，氣動性能預(yù)測是非常重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計出風(fēng)力機的槳葉氣動外形后，計算其氣動性能，可以作為對設(shè)計結(jié)果的評價；反之，氣動性能計算結(jié)果可以作為反饋，為槳葉氣動外形的修正提供依據(jù)。但是風(fēng)力機運行在復(fù)雜的自然環(huán)境中，風(fēng)剪切、來流風(fēng)速及風(fēng)向的改變以及塔影效應(yīng)等使得準(zhǔn)確預(yù)估風(fēng)輪的氣動載荷成為非常困難的工作。因此，在現(xiàn)階段的風(fēng)力機設(shè)計中，主要采用安全因子來補償未知載荷，使得風(fēng)力發(fā)電的投資增加，競爭力下降。
　　 風(fēng)力機在

2、旋轉(zhuǎn)過程中會從槳葉后緣拖出尾跡，形成強烈的卷起渦和內(nèi)部渦面，這些尾渦旋繞在槳葉附近，會對轉(zhuǎn)子的氣動性能產(chǎn)生重要的影響。尾渦的強度由葉素的幾何參數(shù)、運動參數(shù)及槳葉氣動載荷決定；反過來，渦的誘導(dǎo)效應(yīng)又會改變轉(zhuǎn)子的速度場，進而影響渦的強度。因此，槳葉和尾跡之間存在相互干擾，對尾渦的計算是風(fēng)力機氣動載荷分析的關(guān)鍵，也是開展風(fēng)力機空氣動力學(xué)研究的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和工程實際意義。本文基于時間步進自由尾跡方法對風(fēng)力機的尾跡及氣動性能進行了研究

3、，主要內(nèi)容包括：
　　 ①針對目前風(fēng)力機氣動載荷預(yù)測中常用的動量-葉素理論(BEM)不能計入偏航入流影響的缺陷，采用渦柱理論替代動量理論對其進行修正。應(yīng)用修正的理論對TUDelft模型風(fēng)力機的氣動性能分析表明：即使風(fēng)力機處于來流風(fēng)速較小的穩(wěn)定偏航狀態(tài)，BEM理論的計算誤差仍然較大，不適合于風(fēng)力機氣動載荷分析，因此需要建立新的性能預(yù)測方法。
　　 ②建立了風(fēng)力機轉(zhuǎn)子時間步進自由尾跡分析模型。對轉(zhuǎn)子后拖出的尾跡采用自由尾跡方

4、法進行分析，并給出了能處理槳尖渦湍流效應(yīng)的Vatistas渦模型對Biot-Savart定律進行修正，以消除可能出現(xiàn)的數(shù)值奇點；然后對時間步進差分算法展開研究，由待定系數(shù)法構(gòu)造了一種新的3步3階預(yù)估校正差分格式，以提高尾跡求解的精度。對風(fēng)力機槳葉渦系采用Weissinger-L升力面模型進行描述，并推導(dǎo)了槳葉附著環(huán)量的求解方程及槳尖渦強度、釋放位置的確定方法。最后建立了完整的風(fēng)力機轉(zhuǎn)子自由尾跡分析模型，該模型既能用于風(fēng)力機定常氣動性能分

5、析，也能用于復(fù)雜來流時的非定常氣動性能分析。
　　 ③風(fēng)力機槳葉產(chǎn)生動態(tài)失速時，采用二維靜態(tài)翼型數(shù)據(jù)進行載荷預(yù)測會低估風(fēng)輪的動力產(chǎn)生，從而對風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此在設(shè)計、校核過程中必須認(rèn)真考慮動態(tài)失速的作用。本文將原本用于直升機旋翼分析的動態(tài)失速Beddoes-Leishman半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行相應(yīng)的修改后，應(yīng)用于S809翼型的正弦俯仰振蕩計算，并與實驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明：在平均攻角較小時計算值與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，隨

6、著平均攻角的增大，計算誤差增大，但總體趨勢是正確的，從而驗證了模型的有效性。然后將失速模型耦合入②所建立的時間步進自由尾跡模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測槳葉的氣動載荷。
　　 ④對數(shù)值離散算法的精度和穩(wěn)定性進行分析。采用根軌跡法對幾種差分格式的線性穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果表明：Euler顯式是不穩(wěn)定的，PCC格式是中性穩(wěn)定的，而PC2B及本文推導(dǎo)的PC3B格式均滿足穩(wěn)定性條件。由修正方程的推導(dǎo)對離散差分格式的精度及非線性穩(wěn)定性的分析表明：本文

7、推導(dǎo)的3階PC3B格式能夠減小尾跡時間步進計算時的誤差累積，從而提高尾跡求解精度，且方程中包含與速度梯度無關(guān)的耗散項，離散格式是強穩(wěn)定，具有明顯的優(yōu)勢。
　　 ⑤應(yīng)用時間步進自由尾跡分析模型對TUDelft風(fēng)力機和NREL PhaseⅥ風(fēng)力機在軸流和偏航時的尾跡形狀和氣動性能進行計算，并與文獻實驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)力機處于來流風(fēng)速較小的軸流工況時，尾跡渦不能被輸運到下游較遠的地方，使得渦-渦干擾較大，槳尖渦的位置及氣動

8、載荷的計算誤差較大，隨著風(fēng)速的增大，渦的誘導(dǎo)影響減小，計算值與實驗值吻合非常好；穩(wěn)定偏航時，本文模型能夠在不添加任何修正模型的情況下較好地預(yù)測偏航引起的尾跡結(jié)構(gòu)的非對稱性及周期載荷，從而驗證了模型的有效性。
　　 ⑥對風(fēng)力機處于變槳、穩(wěn)態(tài)風(fēng)剪切、極端動態(tài)來流等非定常風(fēng)況時的氣動性能計算表明：復(fù)雜來流時，轉(zhuǎn)子尾跡會出現(xiàn)瞬時畸變，同時槳葉上的渦在脫落并向下游傳輸?shù)倪^程中，需要一定的時間才能使尾跡從一個流態(tài)變成另一個流態(tài)，導(dǎo)致誘導(dǎo)速度