風(fēng)沙環(huán)境下顆粒對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響研究.pdf

1、西北地區(qū)的風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期在風(fēng)沙環(huán)境中運(yùn)行，沙塵顆粒不僅使葉片產(chǎn)生磨損，而且通過(guò)和空氣的相互作用改變來(lái)流中的風(fēng)能，進(jìn)而影響風(fēng)輪功率的輸出。因此，研究風(fēng)沙環(huán)境下沙塵顆粒與翼型壁面及空氣的相互作用機(jī)理尤為重要。
　　本文以風(fēng)力機(jī)專(zhuān)用翼型 S809為研究對(duì)象，基于歐拉-拉格朗日方法，采用SST k-ω湍流模型和DPM模型，通過(guò)探討各雷諾數(shù)下不同直徑顆粒在翼型流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性，研究了不同直徑顆粒與翼型壁面的作用，以及顆粒對(duì)翼型氣動(dòng)性能和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

2、的影響。另外，考慮顆粒重力效應(yīng)，研究了葉片在不同方位角處翼型（葉素）氣動(dòng)性能的變化，進(jìn)而分析了對(duì)風(fēng)輪的影響。
　　1）為確保模擬方法的準(zhǔn)確性，對(duì)采用的SST k-ω湍流模型和DPM模型進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。針對(duì)SST k-ω模型，通過(guò)改變其封閉常數(shù)β*，在多個(gè)雷諾數(shù)下進(jìn)行翼型升、阻力系數(shù)的驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)小攻角（約α＜9°）時(shí)，封閉常數(shù)β*=0.09更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尤其是在小雷諾數(shù)下；大攻角（約α≥9°）時(shí)，β*=0.11更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外

3、，DPM模型的顆粒入射類(lèi)型和軌道密度對(duì)翼型升阻力系數(shù)存在影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用group入射類(lèi)型能取得更好的模擬結(jié)果，顆粒軌道密度選取250較合適。
　　2）研究了各雷諾數(shù)下不同直徑顆粒在翼型流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特性，以及其對(duì)翼型氣動(dòng)性能和流場(chǎng)湍動(dòng)能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直徑小于5μm的顆粒在各雷諾數(shù)下的跟隨性均較好，繞流特性突出，與翼型壁面的作用基本不受雷諾數(shù)的影響；直徑在5～50μm之間的顆粒與翼型壁面的相互作用受雷諾數(shù)的影響較大；直徑大于

4、50μm的顆粒開(kāi)始直接撞擊近前緣吸力面和壓力面，撞擊力度隨雷諾數(shù)和粒徑的增大而增大。距風(fēng)輪葉尖越近，撞擊葉片近前緣駐點(diǎn)處的顆粒的最小直徑越小，是導(dǎo)致各段葉素磨損率不同的因素之一。各雷諾數(shù)下，50μm顆粒對(duì)翼型升、阻力系數(shù)的影響最大。當(dāng)顆粒直徑小于50μm時(shí)，翼型升力系數(shù)隨粒徑的增大而減小，阻力系數(shù)則增大；當(dāng)顆粒直徑大于50μm時(shí)，翼型升力系數(shù)隨粒徑的增大而增大，阻力系數(shù)則減小。在雷諾數(shù)Re=2×105下，5μm和50μm顆?？梢砸种仆膭?dòng)

5、能的發(fā)展，其中50μm顆粒的抑制作用較強(qiáng)。
　　3）雷諾數(shù)Re=1×106下，翼型各攻角升、阻力系數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，故選取雷諾數(shù)Re=1×106進(jìn)行多攻角下，不同直徑顆粒的運(yùn)動(dòng)特性及其對(duì)翼型氣動(dòng)性能影響的研究。結(jié)果表明，攻角8.2°下的分離渦較小，對(duì)0.5、10、50和100μm顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡均無(wú)影響，攻角12.2°下的分離渦對(duì)0.5μm顆粒的影響較小，而攻角18.1°下的分離渦卷吸了大量直徑為0.5μm的顆粒。當(dāng)顆粒直

6、徑小于50μm時(shí)，攻角越大，顆粒的最大速度位置沿流向與前緣的距離越小，且最大速度值越大；當(dāng)顆粒直徑大于50μm時(shí)，三個(gè)攻角下最大速度位置的變化與直徑小于50μm的顆粒一致，最大速度值則差別不大。同一攻角下，顆粒直徑越大，顆粒的最大速度位置與前緣的距離沿流向越大，且最大速度值越小。攻角18.1°下，直徑為0.5和1μm顆粒會(huì)增大翼型的升力系數(shù)，其中前者的增升效果更明顯。
　　4）考慮顆粒重力效應(yīng)，研究了葉片在不同方位角時(shí)翼型的氣動(dòng)性

7、能及其引起的風(fēng)輪受力變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒的沉降方向與其相對(duì)翼型運(yùn)動(dòng)方向的夾角存在著周期性變化。相比在方位角0°和180°處的翼型升阻力系數(shù)，翼型在方位角0°~180°之間的升、阻力系數(shù)都減小，且在方位角90°處達(dá)到最小值；在方位角180°～360°之間的升、阻力系數(shù)都增加，且在方位角270°處達(dá)到最大值。由風(fēng)輪軸向力變化產(chǎn)生的俯仰力矩和偏航力矩也成周期性變化，且周期為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)周期的一半。另外，由于兩個(gè)葉片的周向力在不同方