水平軸風力機的外場實驗及其流場特性研究.pdf

1、風力機空氣動力學研究的方法主要有風洞實驗、渦流理論和CFD方法，但是對于大型風力機，其模型的風洞實驗受到尺寸效應和相似性的影響較大，同時，風洞實驗不能很好地模擬風力機在實際運行中復雜多變的來流條件，這必然引起風力機氣動性能的外場真實參數(shù)與風洞實驗結(jié)果之間較大的差異；渦流理論顯現(xiàn)出了精度較高、耗時較短的優(yōu)勢，但由于模型的簡化，難以準確計算實際工況下葉片表面的壓力分布及尾流發(fā)展的細觀特性；CFD方法受到湍流模式、計算機計算能力和耗時長等方面

2、因素的制約較大。本文針對上述存在的問題，通過開展風力機的外場實驗，并結(jié)合渦流理論方法和CFD數(shù)值模擬方法開展了風力機的氣動特性和流場特性研究。
　　提出了一種風力機空氣動力學外場實驗方法，并搭建了外場實驗平臺。開展了風力機葉片表面壓力測量實驗，并針對一組實驗結(jié)果進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，對于平均壓力，從葉尖到葉根，翼型表面的壓差先增大后逐漸減?。粚τ谒矔r壓力，未出現(xiàn)分離流動或尾緣附近出現(xiàn)較小范圍分離流動的葉片部分，葉片表面的壓力比較穩(wěn)

3、定；而出現(xiàn)較強分離流動的葉片部分，葉片吸力面壓力呈現(xiàn)出周期性的變化，振蕩周期反映了分離渦的脫落周期，且在分離渦脫落前后很短的時間內(nèi)，壓力急劇升高后急劇減小，出現(xiàn)一個壓力峰值。開展了風力機的尾流速度測量實驗，并針對一組實驗結(jié)果進行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，該實驗工況下，尾流測量斷面上各點的軸向速度的衰減比較大，衰減比在31.55％至69.79%之間，鉛垂方向速度變化相對較小，水平方向速度變化范圍相對較大，風向的變化對風力機尾流區(qū)的水平速度分量影響

4、較大。
　　通過對風輪進行三維數(shù)值模擬，對葉片七個測壓斷面翼型進行二維數(shù)值模擬，并將七個斷面翼型的表面壓力分布曲線的二維、三維計算結(jié)果與外場實驗結(jié)果進行對比分析，同時，結(jié)合七個翼型的升力系數(shù)（三維、二維結(jié)果）和流線圖，研究了三維旋轉(zhuǎn)效應對葉片氣動性能的影響，研究表明，七個翼型表面壓力的三維模擬結(jié)果比二維結(jié)果更接近于實驗結(jié)果；三維旋轉(zhuǎn)效應引起了失速延遲，推遲了翼型表面流動分離的發(fā)生，并減小了流動分離區(qū)域，導致葉片各翼型升力系數(shù)的三維

5、計算結(jié)果高于二維計算值，尤其對于葉根部分的7＃翼型，升力系數(shù)的三維結(jié)果比二維結(jié)果增大了82%；三維旋轉(zhuǎn)效應對葉片氣動性能及流動特性的影響主要表現(xiàn)在發(fā)生大攻角分離流動的葉片部分，當葉片表面為附著流動或后緣附近小范圍分離流動時，三維旋轉(zhuǎn)效應的影響并不明顯。
　　以DU95-W-180風力機專用翼型為研究對象，研究了粗糙度對風力機翼型氣動性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度對風力機翼型氣動性能的影響很大，隨著粗糙度增大，升力系數(shù)可以減小到光滑翼

6、型時的40%以下，同時，阻力系數(shù)可增大近10倍；通過適當增加翼型壓力面后緣附近的粗糙度可提高翼型的升力系數(shù)，但并不能有效地提高風力機風輪的出力。對外場實驗風力機風輪進行了數(shù)值模擬，研究了風輪轉(zhuǎn)矩隨葉片表面粗糙度的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，風輪轉(zhuǎn)矩隨葉片表面粗糙度的增加先增大然后減小，在粗糙度為0.05 mm時達到最大值；當葉片表面粗糙度在0 mm到0.1mm之間時，風輪轉(zhuǎn)矩變化很小，增大量均在光滑表面時的2.085%以內(nèi)，風輪轉(zhuǎn)矩對葉片表面粗

7、糙度不敏感；當葉片表面粗糙度大于0.1 mm時，粗糙度對風輪轉(zhuǎn)矩的影響較大，粗糙度為1 mm時，風輪轉(zhuǎn)矩減小了光滑葉片時的近30%。由此可見，只要葉片表面潔凈，則粗糙度對外場氣動實驗的影響很小，開展風輪的數(shù)值模擬時，可按光滑葉片表面來處理。
　　采用一種非線性尾流結(jié)構(gòu)的勢流解法，開展了實驗機組風輪的尾流氣動特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，對于風力機葉片處誘導速度，速度環(huán)量沿葉片展向呈現(xiàn)出非線性的分布規(guī)律。非線性尾流模型計算得到的軸向誘導速度的

8、絕對值普遍大于線性尾流模型的結(jié)果，軸向誘導速度的絕對值沿葉片展向先逐漸增大，在葉尖附近突然減小。周向誘導速度相對較小，隨風輪的葉尖速比呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，葉尖部分先急劇增大后又急劇減??；葉根和葉尖附近的徑向誘導速度沿葉片展向變化的速度梯度較大。對于尾流區(qū)誘導速度，各垂直于軸線的斷面上的誘導速度隨方位角和相對半徑變化；周向誘導速度相對較小，并沿徑向逐漸減??；不同斷面的徑向誘導速度沿徑向呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，各斷面同一半徑上的徑向誘導速度

9、隨方位角（0o-180o范圍內(nèi)）的增大逐漸減??；軸向誘導速度隨斷面位置沿軸線變化呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，距風輪平面2R距離之前各斷面上，軸向誘導速度的絕對值沿徑向先增大、后減小，2R距離之后各斷面上，軸向誘導速度的絕對值沿徑向逐漸減小，各斷面同一半徑上的軸向誘導速度絕對值的最大值出現(xiàn)在尾流區(qū)正對葉片的位置。
　　通過求解 RANS方程，對實驗機組風輪在尾流實驗和額定兩種工況下開展了數(shù)值模擬，通過葉片表面及其斷面翼型的流線圖，以及通過

10、風輪軸的截面和垂直于風輪軸截面的壓力分布云圖、速度分布云圖、速度矢量圖、湍流動能分布云圖以及湍流耗散率分布云圖，研究了風輪的流場特性，分析了尾渦的產(chǎn)生和耗散的過程。研究發(fā)現(xiàn)，風輪輪轂對其附近的尾流場存在一個加速作用，尤其對靠近風輪平面的風輪軸線附近的流場影響較大；各截面的湍流動能和湍流耗散率呈現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，即，湍流動能大的位置湍流耗散率大，湍流動能小的位置湍流耗散率小，說明湍流動能大的區(qū)域聚集了較多的小尺度渦；風輪尾流區(qū)各流動參數(shù)