【摘要】：風力機工作在大氣地表邊界層環(huán)境中,流場環(huán)境常常具有三維、非定常等特性,這給水平軸風力機的三維流場研究及相應的氣動性能分析帶來很大的困難。除此之外,風力機作為目前地球上尺寸最大的旋轉式葉輪機械(102m量級),它的氣動性能與葉片表面邊界層及脫落的尾渦結構(10-3m量級)密不可分。從宏觀大尺度到微觀小尺度,跨越多個尺度的流場結構給風力機的三維流場研究及三維氣動分析提出了新的挑戰(zhàn)�，F有的風力機氣動計算模型按照復雜程度及計算精度的不同主要可以分為BEM模型、渦方法模型及CFD模型。不同的計算模型具有不同的計算特點和數值特征,因而具有不同的適用范圍。 為了提高氣動模型的三維計算能力,本文針對現有的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Corten提出的無粘失速模型進行了系統(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力機三維無粘失速延遲修正模型(ISDM)。與傳統(tǒng)的失速延遲分析不同,ISDM模型以流動分離區(qū)內展向流動導致的葉片吸力面的負壓增加量為核心分析目標,通過簡化Navier-Stokes方程,并引入Kirchhoff-Helmholz尾緣分離預估模型,實現在離心力及科氏力影響下的葉片三維失速延遲效應的評估。通過與NREL Phase VI風力機及MEXICO風力機的三維全尺寸風洞實驗數據的對比,驗證了ISDM模型的準確性。 第二,在渦方法模型方面：對具有不同渦量表征形式及復雜程度的升力線模型和三維面元模型進行了研究。對于升力線模型,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值奇性問題并且提高了三維非定常自由尾渦的計算精度。其次,基于該模型,對后掠葉片的氣動性能及尾渦特征進行了計算和分析：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算模型相結合,構建了粘性無粘耦合模型。該模型提高了附著流工況下計算的準確性,但對于大攻角流動分離工況的計算難以收斂。總體上,渦模型依靠三維尾渦的誘導作用,在很大程度上提高了流場的三維計算能力。 第三,在CFD模型方面：以致動模型為研究目標,在現有的致動盤模型(ADM)、致動線模型(ALM)及致動面模型(ASM)基礎上,提出將粘性無粘耦合算法與致動模型相結合,建立了三維改進致動面模型(IASM)。IASM模型利用粘性無粘耦合模型的邊界元特性,最大程度上完善了現有致動模型中葉片三維幾何外形與流場之間的作用機制。通過對比二維、三維流場工況下IASM模型和致動線模型(ALM)的計算結果,驗證了IASM模型能夠提高致動模型對于近尾流區(qū)域計算的準確性。IASM模型為大尺寸、復雜幾何外形風力機的三維流場計算及氣動性能分析奠定了基礎。 第四,在實驗方面：以中科院工程熱物理所0.5m×0.5m小型閉口回流式風洞為平臺,設計了后掠翼段實驗研究方案,圍繞展向三維流動影響下的翼型氣動性能的變化開展了實驗研究。為了提高實驗數據的可靠性,采用了大攻角流動分離條件下的數據修正模型。后掠翼段實驗結果表明：升力系數在小攻角線性段與有限直翼段的實驗結果十分接近,但在失速階段,后掠翼段升力系數的實驗結果出現大尺度的波動現象,且升力系數的平均值顯著地高于相應的直翼段數據。利用后掠翼段實驗數據評估ISDM模型,結果顯示：ISDM模型可以較準確地預估附著流及初始尾緣分離工況下的升力系數,但對于阻力系數的預估ISDM模型仍存在誤差。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM315

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 仇永興;康順;;基于面元法的水平軸風力機數值模擬[J];工程熱物理學報;2012年02期

2 劉翔,黃其柏,廖道訓,溫國珍;勻動螺旋狀集中渦的流函數解析表達及其證明[J];華中科技大學學報(自然科學版);2004年08期

3 劉洋;李宇紅;蔣洪德;;風力機風輪非定常氣動載荷計算[J];可再生能源;2010年06期

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本文編號：2515014