分離失速下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力數(shù)值模擬研究.pdf

1、分離失速下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性計(jì)算是包括計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在內(nèi)的各種計(jì)算方法面臨的難點(diǎn)，這一難點(diǎn)在針對(duì)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)第六期(PhaseⅥ)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)力機(jī)上開(kāi)展的大量CFD數(shù)值模擬中體現(xiàn)得最為全面和深刻。解決分離失速下PhaseⅥ葉片氣動(dòng)力的準(zhǔn)確計(jì)算問(wèn)題，對(duì)于其它風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)力準(zhǔn)確計(jì)算具有重要意義。本文以S809翼型和PhaseⅥ葉片為研究對(duì)象，采用非結(jié)構(gòu)有限體積法求解RANS方程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)二維翼型和三

2、維旋轉(zhuǎn)葉片的數(shù)值模擬方法，針對(duì)分離失速下風(fēng)力機(jī)翼型和葉片氣動(dòng)力的準(zhǔn)確數(shù)值模擬，開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　揭示了三維旋轉(zhuǎn)葉片數(shù)值模擬誤差和二維翼型數(shù)值模擬誤差之間的關(guān)聯(lián)特性，確認(rèn)了常規(guī)全湍流數(shù)值模擬的誤差主要由忽略轉(zhuǎn)捩和湍流模擬不準(zhǔn)確導(dǎo)致。針對(duì)以上誤差來(lái)源，一方面在SST湍流模型中耦合了γ-Reθ轉(zhuǎn)捩模型，另一方面對(duì)SST湍流模型的封閉常數(shù)β*進(jìn)行了取值校正，大幅提高了分離失速下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力數(shù)值模擬的準(zhǔn)確程度。耦合轉(zhuǎn)捩模型后，

3、數(shù)值模擬對(duì)翼型和葉片進(jìn)入深失速時(shí)機(jī)的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，對(duì)前緣層流分離泡的正確捕捉被發(fā)現(xiàn)是數(shù)值模擬得以改善的一個(gè)關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)了用于三維旋轉(zhuǎn)葉片數(shù)值模擬卻僅基于二維翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流模型封閉常數(shù)校正的方法，只需以翼型在個(gè)別迎角下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參照，即可校正得到一個(gè)適用于整個(gè)迎角范圍和一定雷諾數(shù)范圍的最優(yōu)封閉常數(shù)取值，顯著提高翼型和葉片在整個(gè)輕失速階段的數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。
　　對(duì)PhaseⅥ葉片的1/8縮比模型開(kāi)展了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，采用熒光油膜法測(cè)

4、量了模型的全局表面摩擦力線，提出了測(cè)量結(jié)果的可信性判斷方法，并以直觀流動(dòng)圖畫的方式檢驗(yàn)了本文的數(shù)值模擬方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，縮比葉片的低雷諾數(shù)導(dǎo)致其表面流動(dòng)狀態(tài)與全尺寸葉片相比有顯著差異，比如在葉片迎角為0°時(shí)即已發(fā)生尾緣層流分離。全湍流模擬方法在該低雷諾數(shù)下不能正確預(yù)測(cè)葉片的層流分離，而耦合轉(zhuǎn)捩模型的數(shù)值模擬方法能夠較好的反映流場(chǎng)特征，在低雷諾數(shù)下具有更好的適用性。
　　基于改進(jìn)后的數(shù)值模擬結(jié)果，深刻揭示了風(fēng)力機(jī)三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用

5、機(jī)理，建立了一種新的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)失速延遲模型。對(duì)三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)機(jī)理的分析發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)葉片的分離渦在離心力的作用下具有三維本質(zhì)，失速與流動(dòng)分離不再嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，失速延遲的主要原因是三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致分離渦形狀的扁平化和尺寸的減小。在以上機(jī)理的指引下，建立了一種新的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)失速延遲模型，獲得了比已有模型更好的計(jì)算效果。還實(shí)現(xiàn)了該模型在致動(dòng)線方法中的應(yīng)用，正確修正了三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致的失速延遲，顯著提高了致動(dòng)線方法對(duì)分離失速下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力的計(jì)算準(zhǔn)確性