基于氣動(dòng)相似的浮式風(fēng)力機(jī)模型葉片快速設(shè)計(jì)方法
發(fā)布時(shí)間：2021-01-30 18:42
在浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)中,由于尺度效應(yīng)的影響,浮式風(fēng)力機(jī)模型葉片的推力不能達(dá)到弗汝德相似條件下的目標(biāo)推力值,采用重新設(shè)計(jì)葉片的方式可以較好地滿足模型試驗(yàn)的要求。文章以某6 MW海上浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)為例,提出基于氣動(dòng)相似的模型葉片快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并與前人提出的方法對比。計(jì)算結(jié)果表明:在額定工況下,文章提出的方法可有效降低78.18%的風(fēng)力機(jī)推力計(jì)算次數(shù),從而提高計(jì)算速度;在試驗(yàn)工況下,該方法設(shè)計(jì)的葉片與目標(biāo)值的匹配情況優(yōu)于模矢搜索法。研究結(jié)果可以為風(fēng)力機(jī)模型葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
【文章來源】：可再生能源. 2019,37(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
翼型受力分析圖
滿足雷諾相似是不可能的。浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)選擇滿足弗汝德相似定律，導(dǎo)致葉片所處雷諾數(shù)發(fā)生變化，引起尺度效應(yīng)。本文以某6MW浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)為例，試驗(yàn)縮尺比為1∶65.3，浮式風(fēng)力機(jī)原型及模型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。在額定工況下，某6MW浮式風(fēng)力機(jī)原型葉片在展向70%處的雷諾數(shù)為8.5×106。在模型試驗(yàn)中，幾何相似葉片在相同位置的雷諾數(shù)為1.6×104，實(shí)型葉片所處雷諾數(shù)是模型葉片的527倍。由于雷諾數(shù)的較大變化，幾何相似葉片不能滿足推力相似要求，如圖1所示。由圖1可知，在試驗(yàn)任務(wù)書規(guī)定的葉尖速比范圍內(nèi)，幾何相似葉片的推力系數(shù)小于試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值。在額定工況下，幾何相似葉片產(chǎn)生的推力值僅為1.54N，比目標(biāo)推力值小52.03%。為消除尺度效應(yīng)影響，采用重新設(shè)計(jì)葉片的方式滿足推力相似要求。對于杜煒康提出的模型葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，由于優(yōu)化參數(shù)過多，導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間較長。本文提出一種基于氣動(dòng)相似的模型葉片快速設(shè)計(jì)方法。2模型葉片設(shè)計(jì)理論及方法2.1設(shè)計(jì)理論本文中，模型風(fēng)力機(jī)葉片推力計(jì)算采用美國新能源實(shí)驗(yàn)室編寫的AeroDyn軟件，計(jì)算理論設(shè)定為動(dòng)量-葉素理論[8]。動(dòng)量-葉素理論的主要思路是將葉片分為若干葉素，在假定相鄰葉素互不干擾的前提下，分別計(jì)算每個(gè)葉素的升、阻力，并在風(fēng)輪面法向和切向方向投影，進(jìn)而求得整個(gè)葉片上的推力和轉(zhuǎn)矩。對于葉素的升、阻力，在假定葉切面上的受力可代表整個(gè)葉素受力條件下，可通過求解葉切面受力得到，如圖2所示。根據(jù)動(dòng)量理論，翼型處軸向速度V2和周向速度U2分別為V2=（1-a）V1（3）U
型的升力系數(shù)圖譜Fig.3MapofNACA4412liftcoefficient（b）Re=48400～80000（a）Re=1000～4050010008900168002470032600405001.501.251.000.720.500.250.00-0.25-0.50升力系數(shù)Cl功角α/（°）-10-50510152025303548400563006420072100800001.751.501.251.000.750.500.250.00-0.25-0.50升力系數(shù)Cl功角α/（°）-10-50510152025303510008900168002470032600405000.50.40.30.20.10.0升力系數(shù)Cd-10-505101520253035圖4NACA4412翼型的阻力系數(shù)圖譜Fig.4MapofNACA4412dragcoefficient（b）Re=48400～80000功角α/（°）陳哲，等基于氣動(dòng)相似的浮式風(fēng)力機(jī)模型葉片快速設(shè)計(jì)方法幾何相似葉片擬合葉片0.100.080.060.040.020.00弦長c/m葉片展向位置/m0.00.20.40.60.81.0圖5四次多項(xiàng)式擬合葉片不同展向處弦長Fig.5Quarticpolynomialfittingchordlength·263·功角α/（°）
本文編號(hào)：3009398
【文章來源】：可再生能源. 2019,37(02)北大核心
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
翼型受力分析圖
滿足雷諾相似是不可能的。浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)選擇滿足弗汝德相似定律，導(dǎo)致葉片所處雷諾數(shù)發(fā)生變化，引起尺度效應(yīng)。本文以某6MW浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)為例，試驗(yàn)縮尺比為1∶65.3，浮式風(fēng)力機(jī)原型及模型設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。在額定工況下，某6MW浮式風(fēng)力機(jī)原型葉片在展向70%處的雷諾數(shù)為8.5×106。在模型試驗(yàn)中，幾何相似葉片在相同位置的雷諾數(shù)為1.6×104，實(shí)型葉片所處雷諾數(shù)是模型葉片的527倍。由于雷諾數(shù)的較大變化，幾何相似葉片不能滿足推力相似要求，如圖1所示。由圖1可知，在試驗(yàn)任務(wù)書規(guī)定的葉尖速比范圍內(nèi)，幾何相似葉片的推力系數(shù)小于試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值。在額定工況下，幾何相似葉片產(chǎn)生的推力值僅為1.54N，比目標(biāo)推力值小52.03%。為消除尺度效應(yīng)影響，采用重新設(shè)計(jì)葉片的方式滿足推力相似要求。對于杜煒康提出的模型葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，由于優(yōu)化參數(shù)過多，導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間較長。本文提出一種基于氣動(dòng)相似的模型葉片快速設(shè)計(jì)方法。2模型葉片設(shè)計(jì)理論及方法2.1設(shè)計(jì)理論本文中，模型風(fēng)力機(jī)葉片推力計(jì)算采用美國新能源實(shí)驗(yàn)室編寫的AeroDyn軟件，計(jì)算理論設(shè)定為動(dòng)量-葉素理論[8]。動(dòng)量-葉素理論的主要思路是將葉片分為若干葉素，在假定相鄰葉素互不干擾的前提下，分別計(jì)算每個(gè)葉素的升、阻力，并在風(fēng)輪面法向和切向方向投影，進(jìn)而求得整個(gè)葉片上的推力和轉(zhuǎn)矩。對于葉素的升、阻力，在假定葉切面上的受力可代表整個(gè)葉素受力條件下，可通過求解葉切面受力得到，如圖2所示。根據(jù)動(dòng)量理論，翼型處軸向速度V2和周向速度U2分別為V2=（1-a）V1（3）U
型的升力系數(shù)圖譜Fig.3MapofNACA4412liftcoefficient（b）Re=48400～80000（a）Re=1000～4050010008900168002470032600405001.501.251.000.720.500.250.00-0.25-0.50升力系數(shù)Cl功角α/（°）-10-50510152025303548400563006420072100800001.751.501.251.000.750.500.250.00-0.25-0.50升力系數(shù)Cl功角α/（°）-10-50510152025303510008900168002470032600405000.50.40.30.20.10.0升力系數(shù)Cd-10-505101520253035圖4NACA4412翼型的阻力系數(shù)圖譜Fig.4MapofNACA4412dragcoefficient（b）Re=48400～80000功角α/（°）陳哲，等基于氣動(dòng)相似的浮式風(fēng)力機(jī)模型葉片快速設(shè)計(jì)方法幾何相似葉片擬合葉片0.100.080.060.040.020.00弦長c/m葉片展向位置/m0.00.20.40.60.81.0圖5四次多項(xiàng)式擬合葉片不同展向處弦長Fig.5Quarticpolynomialfittingchordlength·263·功角α/（°）
本文編號(hào)：3009398
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