【摘要】：風(fēng)力機(jī)工作在大氣地表邊界層環(huán)境中,流場(chǎng)環(huán)境常常具有三維、非定常等特性,這給水平軸風(fēng)力機(jī)的三維流場(chǎng)研究及相應(yīng)的氣動(dòng)性能分析帶來(lái)很大的困難。除此之外,風(fēng)力機(jī)作為目前地球上尺寸最大的旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械(102m量級(jí)),它的氣動(dòng)性能與葉片表面邊界層及脫落的尾渦結(jié)構(gòu)(10-3m量級(jí))密不可分。從宏觀大尺度到微觀小尺度,跨越多個(gè)尺度的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)給風(fēng)力機(jī)的三維流場(chǎng)研究及三維氣動(dòng)分析提出了新的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算模型按照復(fù)雜程度及計(jì)算精度的不同主要可以分為BEM模型、渦方法模型及CFD模型。不同的計(jì)算模型具有不同的計(jì)算特點(diǎn)和數(shù)值特征,因而具有不同的適用范圍。 為了提高氣動(dòng)模型的三維計(jì)算能力,本文針對(duì)現(xiàn)有的BEM模型、渦方法模型及CFD模型,主要開展了以下幾方面的工作： 第一,在BEM模型方面：以三維失速延遲修正模型為研究核心,對(duì)Corten提出的無(wú)粘失速模型進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。得到了該模型的解析解,并基于該解析解建立了風(fēng)力機(jī)三維無(wú)粘失速延遲修正模型(ISDM)。與傳統(tǒng)的失速延遲分析不同,ISDM模型以流動(dòng)分離區(qū)內(nèi)展向流動(dòng)導(dǎo)致的葉片吸力面的負(fù)壓增加量為核心分析目標(biāo),通過(guò)簡(jiǎn)化Navier-Stokes方程,并引入Kirchhoff-Helmholz尾緣分離預(yù)估模型,實(shí)現(xiàn)在離心力及科氏力影響下的葉片三維失速延遲效應(yīng)的評(píng)估。通過(guò)與NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)及MEXICO風(fēng)力機(jī)的三維全尺寸風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了ISDM模型的準(zhǔn)確性。 第二,在渦方法模型方面：對(duì)具有不同渦量表征形式及復(fù)雜程度的升力線模型和三維面元模型進(jìn)行了研究。對(duì)于升力線模型,粘性渦核模型及渦核有效半徑模型的引入,有效地解決了升力線模型的數(shù)值奇性問(wèn)題并且提高了三維非定常自由尾渦的計(jì)算精度。其次,基于該模型,對(duì)后掠葉片的氣動(dòng)性能及尾渦特征進(jìn)行了計(jì)算和分析：在三維面元模型方面,以直接耦合模式將三維面元模型與二維邊界層計(jì)算模型相結(jié)合,構(gòu)建了粘性無(wú)粘耦合模型。該模型提高了附著流工況下計(jì)算的準(zhǔn)確性,但對(duì)于大攻角流動(dòng)分離工況的計(jì)算難以收斂�？傮w上,渦模型依靠三維尾渦的誘導(dǎo)作用,在很大程度上提高了流場(chǎng)的三維計(jì)算能力。 第三,在CFD模型方面：以致動(dòng)模型為研究目標(biāo),在現(xiàn)有的致動(dòng)盤模型(ADM)、致動(dòng)線模型(ALM)及致動(dòng)面模型(ASM)基礎(chǔ)上,提出將粘性無(wú)粘耦合算法與致動(dòng)模型相結(jié)合,建立了三維改進(jìn)致動(dòng)面模型(IASM)。IASM模型利用粘性無(wú)粘耦合模型的邊界元特性,最大程度上完善了現(xiàn)有致動(dòng)模型中葉片三維幾何外形與流場(chǎng)之間的作用機(jī)制。通過(guò)對(duì)比二維、三維流場(chǎng)工況下IASM模型和致動(dòng)線模型(ALM)的計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了IASM模型能夠提高致動(dòng)模型對(duì)于近尾流區(qū)域計(jì)算的準(zhǔn)確性。IASM模型為大尺寸、復(fù)雜幾何外形風(fēng)力機(jī)的三維流場(chǎng)計(jì)算及氣動(dòng)性能分析奠定了基礎(chǔ)。 第四,在實(shí)驗(yàn)方面：以中科院工程熱物理所0.5m×0.5m小型閉口回流式風(fēng)洞為平臺(tái),設(shè)計(jì)了后掠翼段實(shí)驗(yàn)研究方案,圍繞展向三維流動(dòng)影響下的翼型氣動(dòng)性能的變化開展了實(shí)驗(yàn)研究。為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,采用了大攻角流動(dòng)分離條件下的數(shù)據(jù)修正模型。后掠翼段實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：升力系數(shù)在小攻角線性段與有限直翼段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近,但在失速階段,后掠翼段升力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)大尺度的波動(dòng)現(xiàn)象,且升力系數(shù)的平均值顯著地高于相應(yīng)的直翼段數(shù)據(jù)。利用后掠翼段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估ISDM模型,結(jié)果顯示：ISDM模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)估附著流及初始尾緣分離工況下的升力系數(shù),但對(duì)于阻力系數(shù)的預(yù)估ISDM模型仍存在誤差。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 仇永興;康順;;基于面元法的水平軸風(fēng)力機(jī)數(shù)值模擬[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2012年02期

2 劉翔,黃其柏,廖道訓(xùn),溫國(guó)珍;勻動(dòng)螺旋狀集中渦的流函數(shù)解析表達(dá)及其證明[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2004年08期

3 劉洋;李宇紅;蔣洪德;;風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪非定常氣動(dòng)載荷計(jì)算[J];可再生能源;2010年06期

，

本文編號(hào)：2515014