水平軸風力機葉片失速問題研究.pdf

1、水平軸風力機是最有效的風能轉換裝置,在其開發(fā)和研制過程當中,最關鍵的核心問題就是設計高效、高可靠性的風輪。隨著風力機的尺寸逐漸增大,需要更可靠的氣動載荷預測方法,來確保更加優(yōu)化的設計。氣動載荷的可靠預測必須依賴準確的工程計算方法、氣動力模型和修正模型。這些方法及模型的準確性又取決于對靜態(tài)失速(失速延遲)、動態(tài)失速及動態(tài)載荷等關鍵氣動問題所涉及的復雜流動機理的正確認識和深刻理解。本文通過數(shù)值計算和理論分析,研究了風力機靜態(tài)失速和動態(tài)失速等

2、氣動問題,提出了一種基于代理的遞歸框架的非定常氣動力降階模型,采用了合成射流的方式對風力機翼型進行了主動流動控制的研究。研究以具有豐富詳實的實驗數(shù)據(jù)的美國國家可再生能源實驗室的聯(lián)合實驗風輪和經(jīng)典翼型為應用對象。研究成果有助于建立較為準確的載荷預測模型,提高風力機的設計水平,為保障風輪的可靠運行和提高風力機整體性能提供有力的支持。本研究主要內容包括：
　　⑴采用Menter的帶轉捩修正的K-εSST湍流模型,成功地對不同來流速度下的

3、典型的NREL Phase VI風輪的內部流場進行了模擬,總體上和實驗值吻合較好,只是在較高的風速下,流動分離嚴重,存在一定的差異,驗證了計算的準確性。通過葉片不同葉高截面處的壓力系數(shù)分布以及葉片吸力面的極限流線分布詳細分析了葉輪流場特性。
　?、苹陲L輪的全尺度數(shù)值模擬結果,分析了失速延遲的內在流動機制,建立了三維流場和工程模型間的聯(lián)系。推導獲得了風輪不同葉高位置的軸向誘導因子,確定了各位置的有效攻角,提取了包含三維旋轉效應及葉

4、根葉尖效應的截面翼型氣動數(shù)據(jù)。并與Du-Selig失速延遲模型的結果以及Tangler方法得到的結果進行了深入的比較和分析,探索了實際葉片不同葉高位置的失速特征。
　?、峭ㄟ^數(shù)值方法分析了典型深度失速工況的流場特征和動態(tài)失速渦的發(fā)展、傳播和最后脫落的過程,加深對動態(tài)失速發(fā)生機理的理解?；贛enter的轉捩修正的k-εSST湍流模型及網(wǎng)格變形的動網(wǎng)格技術對繞其1/4弦長點作正弦波周期性振蕩的風力機翼型進行了CFD模擬,并與風洞測試

5、的非定常實驗結果進行了全面的對比,表明兩者基本吻合,驗證了動態(tài)失速數(shù)值模擬結果的準確性。通過流線分布和壓力系數(shù)分布,揭示了氣動力遲滯回線的變化特征。
　?、然谒@得包括未失速、失速初生到輕度失速以及最后的深度失速多個工況下的非定常流場數(shù)據(jù),研究了不同折合頻率、平均攻角以及振蕩幅角對翼型動態(tài)失速的影響。折合頻率對動態(tài)失速有著重要的影響,隨著折合頻率的增大,升力的峰值出現(xiàn)在更高的攻角處,遲滯效應變得更為顯著。在某些工況中,導致負的氣

6、動阻尼和遲滯現(xiàn)象加劇。并且基于升阻力和轉矩系數(shù),分析了動態(tài)失速對實際運行的風力機載荷的影響。
　?、苫谝陨系囊硇头嵌ǔ?shù)據(jù),利用SBRF降階建模方法,有效地預測了動態(tài)失速條件下翼型的非定常升力,阻力和轉矩。研究證明,對氣動響應求解要求逼近精度較高的諸多氣動彈性以及被動/主動最優(yōu)化設計研究中,SBRF降階模型是一種非常理想的既保留極高近似精度又具有較高計算效率的非定常氣動模型。
　?、什捎煤铣缮淞?對靜態(tài)及振蕩的風力機翼型繞