綜合Lagrangian動(dòng)力大渦模擬與致動(dòng)線法的風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬研究.pdf

1、風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)是影響風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率、轉(zhuǎn)子疲勞壽命以及電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要因素，因此一直受到風(fēng)能領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。然而，風(fēng)力機(jī)尾流是一種復(fù)雜的非定常湍流流動(dòng)，并要受到風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力機(jī)布局、地形地貌、大氣邊界層等諸多因素的影響，其機(jī)理至今尚不完全清楚，以至當(dāng)前大多風(fēng)力機(jī)及風(fēng)場(chǎng)的設(shè)計(jì)不得不借助低精度的尾流工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?dāng)前風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組具有大型化或超大型化的趨勢(shì)，這將對(duì)風(fēng)力機(jī)遭受的氣動(dòng)力及氣-彈性問(wèn)題提出更大的挑戰(zhàn)，為此研究

2、風(fēng)力機(jī)尾流的高精度模型及尾流流動(dòng)特性是非常必要的。
　　本文提出一種基于致動(dòng)線法（ALM）的Lagrangian動(dòng)力大渦模擬（LES）模型，并運(yùn)用該模型對(duì)MEXICO風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子近、遠(yuǎn)尾流的流動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬研究。主要研究?jī)?nèi)容歸納如下：
　?。?）提出一種專用于風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬的基于ALM的Lagrangian動(dòng)力LES模型。由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子、塔、地形及大氣等作用，風(fēng)力機(jī)尾流往往是非均勻各向異性湍流。為此本文采用La

3、grangian動(dòng)力LES數(shù)值方法，以更好地求解非均勻各向異性湍流。另外，如果完全求解風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的邊界層，其計(jì)算量將相當(dāng)大，從而不利于工程應(yīng)用。因此本文引入基于葉柵動(dòng)量理論（BEM）的ALM以等效風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子邊界層對(duì)尾流的影響。
　　（2）引入Prandtl–Glauert葉根/葉尖校正模型及Snel等提出的三維旋轉(zhuǎn)修正模型?；贐EM的ALM模型通常在有限長(zhǎng)葉片的葉尖及葉根處誤差很大，為此引入Prandtl–Glauert葉根/葉

4、尖校正模型以改善這種狀況。此外，ALM模型要用到翼型升、阻力氣動(dòng)力數(shù)據(jù)表，但已有的翼型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)是在二維翼型條件下測(cè)得的。而進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的三維轉(zhuǎn)子因受到離心力及科氏力的作用會(huì)導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)子的翼型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)與二維翼型氣動(dòng)力數(shù)據(jù)相差甚大，因此本文引入Snel等提出的三維旋轉(zhuǎn)修正模型以改善這一問(wèn)題。
　　（3）引入Shives等提出的有關(guān)Gaussian光順函數(shù)中長(zhǎng)度尺度因子的選擇方法。按照傳統(tǒng)方法， ALM模型中Gaussia

5、n光順函數(shù)長(zhǎng)度尺度因子的選擇主要依賴轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格的大小，但在實(shí)際模擬中，轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格大小的確定往往非常困難。Shives等提出的方法把長(zhǎng)度尺度因子與有物理意義的葉片局部弦長(zhǎng)以及轉(zhuǎn)子區(qū)域的網(wǎng)格大小關(guān)聯(lián)起來(lái)，這極大地方便了ALM模型中Gaussian光順函數(shù)長(zhǎng)度尺度因子的選擇及轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格的劃分。
　?。?）根據(jù)本文模型對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾流進(jìn)行了詳細(xì)研究。這部分研究的目的有兩個(gè)，一是驗(yàn)證本文提出的風(fēng)力機(jī)尾流模型的有效性；二則是借助該模型研究

6、風(fēng)力機(jī)近尾流的流動(dòng)特性。具體工作針對(duì)MEXICO轉(zhuǎn)子進(jìn)行，考慮了三個(gè)典型的風(fēng)力機(jī)工況，即湍流尾流狀態(tài)工況、設(shè)計(jì)條件工況及失速條件工況。首先模擬得到三種工況條件下的功率系數(shù)、時(shí)間平均軸向速度的展向及流向分布；然后與MEXICO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證了模型的有效性。最后利用本文模型對(duì)風(fēng)力機(jī)近尾流渦及湍流強(qiáng)度等特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。
　?。?）根據(jù)本文模型對(duì)風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流進(jìn)行了詳細(xì)研究。該部分工作也是在三種工況條件下進(jìn)行的，分別對(duì)軸向時(shí)間平均速