極端風況下水平軸風力機的非定常氣動特性研究.pdf

1、風能是一種環(huán)境友好型的可再生能源，當前已成為世界各國研究和投資的熱點。其主要利用形式是風能發(fā)電，風力機作為發(fā)電設備的核心部件可以將風能轉(zhuǎn)化為電能。風力機一般工作在非穩(wěn)態(tài)的外部環(huán)境中，風況條件是運行環(huán)境的關鍵因素之一，嚴重影響著風力機的氣動性能。其中包含的極端風況是風力機的臨界外部設計條件，對其生產(chǎn)安全和使用壽命起到了決定性作用。
　　因此，本文基于標準極端風況模型，以某三葉片1.5MW水平軸風力機為研究對象，建立三維計算模型并劃分

2、網(wǎng)格，使用Fluent軟件作為求解器，通過求解N-S方程完成均勻來流和極端風況下非定常數(shù)值模擬，并對比分析葉片氣動載荷與表面流動狀況，得到極端風況對風力機氣動特性的影響規(guī)律。本文主要的研究工作和結果整理如下：
　　選取極端連續(xù)陣風、伴隨風向變化的極端連續(xù)陣風、1年一遇和50年一遇極端運行陣風三種極端陣風風況，輪轂參考風速取10.4m/s編寫UDF程序，經(jīng)過編譯后設置為各極端工況的入口邊界條件，并獲得相應運行周期內(nèi)的計算結果。為了對

3、比起見，對入口速度為10.4m/s的均勻來流條件也進行數(shù)值模擬，除入口速度外其它計算設置與極端陣風風況相同。
　　均勻來流時各時刻風輪外特性和流場的變化很小，模擬周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩基本維持在270kN?m，葉片各截面壓差從葉根向葉尖增大，且不隨時間改變。來流攻角始終不變，葉片表面流動基本為附著流。截面法向力、切向力系數(shù)從葉根向葉尖減小，氣動力系數(shù)-時間曲線近似為直線。
　　在極端連續(xù)陣風運行周期內(nèi)風速不斷增大，低風速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩和截面

4、法向力、切向力系數(shù)與風速隨時間的變化規(guī)律相似，葉片吸力面大部分區(qū)域為附著流，各截面壓差和來流攻角較小；高風速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩曲線與時間曲線存在差異，葉片失速使吸力面出現(xiàn)大范圍流動分離，導致轉(zhuǎn)矩呈波動性地緩慢上升。風速持續(xù)增大，翼型截面前緣壓差和來流攻角也時刻變大，流動分離點逐漸向前緣靠近，紊流區(qū)不斷擴展，并發(fā)生沿展向的流動，產(chǎn)生的分離渦使截面法向力、切向力系數(shù)隨風速增大而無規(guī)律振蕩減小。
　　在伴隨風向改變的極端連續(xù)陣風運行周期內(nèi)風速先

5、增大后減小，風速增大階段內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)以及流場狀態(tài)均與極端連續(xù)陣風工況的低風速階段類似，在接近最大風速時，同樣由于葉片失速使轉(zhuǎn)矩和截面氣動力系數(shù)開始減?。蛔畲箫L速時刻，葉片吸力面出現(xiàn)小范圍的流動分離，截面壓差與來流攻角達到最大；隨后風速下降階段內(nèi)，葉片吸力面的分離區(qū)域逐漸減小，但轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)曲線無法迅速恢復成與風速曲線相同的變化規(guī)律。
　　在極端運行陣風運行周期內(nèi)風速波動變化，各時刻風輪外特性和流