發(fā)布時(shí)間：2020-04-21 07:02

【摘要】：深入系統(tǒng)地研究和掌握風(fēng)力機(jī)的能量吸收規(guī)律是保證風(fēng)力機(jī)的安全可靠性、提高風(fēng)力機(jī)性能的關(guān)鍵。目前,CFD方法以其突出的優(yōu)勢(shì)在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究和工程應(yīng)用的各個(gè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,保證風(fēng)力機(jī)數(shù)值模型的計(jì)算精度至關(guān)重要。由于運(yùn)行工況下風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)捩類(lèi)型多樣,對(duì)邊界層發(fā)展、流動(dòng)分離及氣動(dòng)力等影響顯著,因此轉(zhuǎn)捩研究及其模型的發(fā)展和應(yīng)用有助于進(jìn)一步提高CFD計(jì)算精度,提升風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)水平。而鑒于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的劇烈影響,采用接近實(shí)際情況的風(fēng)輪乃至整機(jī)模型,系統(tǒng)分析這些因素的影響規(guī)律和影響機(jī)理,將為風(fēng)場(chǎng)選址、風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和選型乃至發(fā)電量出力預(yù)報(bào)等各方面提供詳細(xì)指導(dǎo)和參考。為此,本文采用CFD商用軟件Fine/TurboTM,系統(tǒng)研究了均勻風(fēng)速下葉片定常繞流場(chǎng),切變風(fēng)速對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)性能、以及均勻和切變風(fēng)速條件下整機(jī)塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的非定常影響。 均勻風(fēng)速下葉片定常繞流數(shù)值模擬的研究從計(jì)算域尺度、網(wǎng)格數(shù)目、湍流和轉(zhuǎn)捩模型以及風(fēng)力機(jī)機(jī)艙的影響幾個(gè)方面展開(kāi)。首先以失速型風(fēng)力機(jī)NORDTANK 500/41為研究對(duì)象,在高風(fēng)速條件下,分析了計(jì)算域尺度和網(wǎng)格數(shù)目對(duì)葉片定常氣動(dòng)載荷數(shù)值模擬結(jié)果的影響；進(jìn)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(jì)及轉(zhuǎn)捩Abu-Ghannam Shaw (AGS)模型,對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型FFA-W3-241和NORDTANK500/41風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行多個(gè)工況下的邊界層流態(tài)、性能參數(shù)和流動(dòng)細(xì)節(jié)的詳細(xì)分析；最后以NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,進(jìn)行了機(jī)艙對(duì)葉片氣動(dòng)性能影響的數(shù)值分析。以上研究的結(jié)果顯示：當(dāng)計(jì)算域外邊界距離旋轉(zhuǎn)中心10倍風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑以上時(shí),基本可以滿(mǎn)足氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果與計(jì)算域尺度的無(wú)關(guān)性；當(dāng)定常計(jì)算的性能參數(shù)收斂曲線(xiàn)呈大幅振蕩的周期性收斂時(shí),可靠的數(shù)值結(jié)果應(yīng)為振蕩周期內(nèi)的平均值而非某一個(gè)迭代步上的計(jì)算結(jié)果；全湍流S-A模型及其轉(zhuǎn)捩AGS模型可以較好的預(yù)計(jì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能及流場(chǎng)細(xì)節(jié)；機(jī)艙會(huì)影響葉根流動(dòng)分離和旋渦結(jié)構(gòu),以及徑向流動(dòng)沿葉片展向的發(fā)展,尤其是分離區(qū)的流態(tài),進(jìn)而影響風(fēng)輪氣動(dòng)性能和載荷預(yù)估值,在研究模型中加入機(jī)艙將提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。 在對(duì)切變風(fēng)速下風(fēng)輪的非定常氣動(dòng)性能研究中,除了對(duì)NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)進(jìn)行三維非定常CFD模擬分析外,還提出了一種準(zhǔn)三維非定常數(shù)值模型并進(jìn)行了驗(yàn)證,進(jìn)而采用這種模型分析了不同風(fēng)速廓線(xiàn)指數(shù)和展向位置處風(fēng)切變的影響規(guī)律及影響機(jī)理,并與三維風(fēng)輪模型的非定常CFD模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示：準(zhǔn)三維模型可以很好的反映截面氣動(dòng)特征,適用于葉片邊界層無(wú)分離或分離較小的展向截面處風(fēng)切變下的氣動(dòng)性能分析；切變風(fēng)速使得風(fēng)力機(jī)性能、載荷和流動(dòng)參數(shù)波動(dòng)振幅增大,隨方位角呈近似余弦函數(shù)型式的周期性波動(dòng),波動(dòng)波幅隨風(fēng)速廓線(xiàn)指數(shù)和展向位置而增加,在整個(gè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)呈上下不對(duì)稱(chēng)式分布,且幅值方位角普遍滯后風(fēng)速極值；與不同展向位置處線(xiàn)性增加的線(xiàn)速度引起的流動(dòng)參數(shù)變化相比,風(fēng)切變影響相對(duì)較小,不改變載荷的展向分布規(guī)律,對(duì)葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也不至于過(guò)大。 在對(duì)均勻和切變風(fēng)速條件下整機(jī)塔影效應(yīng)的非定常數(shù)值模擬中,以上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)DF90為研究對(duì)象,詳細(xì)分析了包括葉片和風(fēng)輪總體性能參數(shù)、壓力分布、壁面極限流線(xiàn)圖和截面流線(xiàn)圖譜等流場(chǎng)細(xì)節(jié)。結(jié)果顯示,均勻風(fēng)速條件下,塔架的阻礙作用導(dǎo)致葉片載荷的劇烈變化,呈現(xiàn)塔前的突然增加,繼而快速下降,進(jìn)而是相對(duì)緩慢的回復(fù)過(guò)程。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)作用使得塔前來(lái)流始終發(fā)生偏轉(zhuǎn),引起塔架兩側(cè)受力的不均勻以及塔后渦街3p脫落。塔影效應(yīng)下的周期性脈沖載荷容易引起葉片和塔架的動(dòng)態(tài)響應(yīng),對(duì)機(jī)組的壽命和運(yùn)行安全不利。切變風(fēng)速條件下,載荷波動(dòng)幅值增加,相對(duì)均勻風(fēng)速條件下增長(zhǎng)近倍,并呈上部較大、下部較小,沿展向增加的趨勢(shì)。同時(shí),切變風(fēng)速波動(dòng)緩和了塔架附近載荷的劇烈波動(dòng),而三葉片相位差的疊加作用使得切變前后風(fēng)輪載荷平均值及波動(dòng)波幅變化不大。 綜上,本文所研究的幾何模型自葉片、風(fēng)輪到整機(jī),物理現(xiàn)象自均勻風(fēng)速下的定常流動(dòng)到切變風(fēng)速下的非定常流動(dòng),再到更為復(fù)雜的風(fēng)切變與塔影非線(xiàn)性綜合作用,層層遞進(jìn),逐漸接近真實(shí)物理模型。研究結(jié)果為采用CFD數(shù)值方法進(jìn)行翼型和葉片氣動(dòng)載荷分析與設(shè)計(jì)提供參考,為認(rèn)識(shí)風(fēng)切變、塔影等復(fù)雜非定�？諝鈩�(dòng)力學(xué)問(wèn)題的影響提供依據(jù),為深入系統(tǒng)的掌握風(fēng)力機(jī)的能量吸收規(guī)律,保證風(fēng)力機(jī)的安全可靠性、提高風(fēng)力機(jī)性能提供支持。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)（北京）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TK83

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本文編號(hào)：2635503