【摘要】：深入系統地研究和掌握風力機的能量吸收規(guī)律是保證風力機的安全可靠性、提高風力機性能的關鍵。目前,CFD方法以其突出的優(yōu)勢在風力機空氣動力學問題研究和工程應用的各個方面發(fā)揮著越來越重要的作用,保證風力機數值模型的計算精度至關重要。由于運行工況下風力機葉片轉捩類型多樣,對邊界層發(fā)展、流動分離及氣動力等影響顯著,因此轉捩研究及其模型的發(fā)展和應用有助于進一步提高CFD計算精度,提升風力機設計水平。而鑒于風切變和塔影效應對風力機性能的劇烈影響,采用接近實際情況的風輪乃至整機模型,系統分析這些因素的影響規(guī)律和影響機理,將為風場選址、風力機設計和選型乃至發(fā)電量出力預報等各方面提供詳細指導和參考。為此,本文采用CFD商用軟件Fine/TurboTM,系統研究了均勻風速下葉片定常繞流場,切變風速對風輪氣動性能、以及均勻和切變風速條件下整機塔影效應對風力機氣動性能的非定常影響。 均勻風速下葉片定常繞流數值模擬的研究從計算域尺度、網格數目、湍流和轉捩模型以及風力機機艙的影響幾個方面展開。首先以失速型風力機NORDTANK 500/41為研究對象,在高風速條件下,分析了計算域尺度和網格數目對葉片定常氣動載荷數值模擬結果的影響；進而采用全湍流Spalart-Allmaras (S-A)模型、k-ωSST模型以及在S-A模型中計及轉捩Abu-Ghannam Shaw (AGS)模型,對風力機翼型FFA-W3-241和NORDTANK500/41風力機葉片進行多個工況下的邊界層流態(tài)、性能參數和流動細節(jié)的詳細分析；最后以NREL Phase VI風力機為研究對象,進行了機艙對葉片氣動性能影響的數值分析。以上研究的結果顯示：當計算域外邊界距離旋轉中心10倍風輪旋轉半徑以上時,基本可以滿足氣動計算結果與計算域尺度的無關性；當定常計算的性能參數收斂曲線呈大幅振蕩的周期性收斂時,可靠的數值結果應為振蕩周期內的平均值而非某一個迭代步上的計算結果；全湍流S-A模型及其轉捩AGS模型可以較好的預計風力機氣動性能及流場細節(jié)；機艙會影響葉根流動分離和旋渦結構,以及徑向流動沿葉片展向的發(fā)展,尤其是分離區(qū)的流態(tài),進而影響風輪氣動性能和載荷預估值,在研究模型中加入機艙將提高數值模擬準確性。 在對切變風速下風輪的非定常氣動性能研究中,除了對NREL Phase VI風力機進行三維非定常CFD模擬分析外,還提出了一種準三維非定常數值模型并進行了驗證,進而采用這種模型分析了不同風速廓線指數和展向位置處風切變的影響規(guī)律及影響機理,并與三維風輪模型的非定常CFD模擬結果進行了對比分析。結果顯示：準三維模型可以很好的反映截面氣動特征,適用于葉片邊界層無分離或分離較小的展向截面處風切變下的氣動性能分析；切變風速使得風力機性能、載荷和流動參數波動振幅增大,隨方位角呈近似余弦函數型式的周期性波動,波動波幅隨風速廓線指數和展向位置而增加,在整個風輪旋轉平面內呈上下不對稱式分布,且幅值方位角普遍滯后風速極值；與不同展向位置處線性增加的線速度引起的流動參數變化相比,風切變影響相對較小,不改變載荷的展向分布規(guī)律,對葉片結構穩(wěn)定性的影響也不至于過大。 在對均勻和切變風速條件下整機塔影效應的非定常數值模擬中,以上風向風力機DF90為研究對象,詳細分析了包括葉片和風輪總體性能參數、壓力分布、壁面極限流線圖和截面流線圖譜等流場細節(jié)。結果顯示,均勻風速條件下,塔架的阻礙作用導致葉片載荷的劇烈變化,呈現塔前的突然增加,繼而快速下降,進而是相對緩慢的回復過程。風輪的旋轉作用使得塔前來流始終發(fā)生偏轉,引起塔架兩側受力的不均勻以及塔后渦街3p脫落。塔影效應下的周期性脈沖載荷容易引起葉片和塔架的動態(tài)響應,對機組的壽命和運行安全不利。切變風速條件下,載荷波動幅值增加,相對均勻風速條件下增長近倍,并呈上部較大、下部較小,沿展向增加的趨勢。同時,切變風速波動緩和了塔架附近載荷的劇烈波動,而三葉片相位差的疊加作用使得切變前后風輪載荷平均值及波動波幅變化不大。 綜上,本文所研究的幾何模型自葉片、風輪到整機,物理現象自均勻風速下的定常流動到切變風速下的非定常流動,再到更為復雜的風切變與塔影非線性綜合作用,層層遞進,逐漸接近真實物理模型。研究結果為采用CFD數值方法進行翼型和葉片氣動載荷分析與設計提供參考,為認識風切變、塔影等復雜非定常空氣動力學問題的影響提供依據,為深入系統的掌握風力機的能量吸收規(guī)律,保證風力機的安全可靠性、提高風力機性能提供支持。
【學位授予單位】：華北電力大學（北京）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TK83

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