【摘要】：水平軸風力機是最有效的風能轉(zhuǎn)換裝置，在其開發(fā)和研制過程當中，最關鍵的核心問題就是設計高效、高可靠性的風輪。隨著風力機的尺寸逐漸增大，需要更可靠的氣動載荷預測方法，來確保更加優(yōu)化的設計。氣動載荷的可靠預測必須依賴準確的工程計算方法、氣動力模型和修正模型。這些方法及模型的準確性又取決于對靜態(tài)失速（失速延遲）、動態(tài)失速及動態(tài)載荷等關鍵氣動問題所涉及的復雜流動機理的正確認識和深刻理解。 本文通過數(shù)值計算和理論分析，研究了風力機靜態(tài)失速和動態(tài)失速等氣動問題，提出了一種基于代理的遞歸框架的非定常氣動力降階模型，采用了合成射流的方式對風力機翼型進行了主動流動控制的研究。研究以具有豐富詳實的實驗數(shù)據(jù)的美國國家可再生能源實驗室的聯(lián)合實驗風輪和經(jīng)典翼型為應用對象。研究成果有助于建立較為準確的載荷預測模型，提高風力機的設計水平，為保障風輪的可靠運行和提高風力機整體性能提供有力的支持。 本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下： 1）采用Menter的帶轉(zhuǎn)捩修正的K SST湍流模型，成功地對不同來流速度下的典型的NREL Phase VI風輪的內(nèi)部流場進行了模擬，總體上和實驗值吻合較好，只是在較高的風速下，流動分離嚴重，存在一定的差異，驗證了計算的準確性。通過葉片不同葉高截面處的壓力系數(shù)分布以及葉片吸力面的極限流線分布詳細分析了葉輪流場特性。 2）基于風輪的全尺度數(shù)值模擬結(jié)果，分析了失速延遲的內(nèi)在流動機制，建立了三維流場和工程模型間的聯(lián)系。推導獲得了風輪不同葉高位置的軸向誘導因子，確定了各位置的有效攻角，提取了包含三維旋轉(zhuǎn)效應及葉根葉尖效應的截面翼型氣動數(shù)據(jù)。并與Du-Selig失速延遲模型的結(jié)果以及Tangler方法得到的結(jié)果進行了深入的比較和分析，探索了實際葉片不同葉高位置的失速特征。 3）通過數(shù)值方法分析了典型深度失速工況的流場特征和動態(tài)失速渦的發(fā)展、傳播和最后脫落的過程，加深對動態(tài)失速發(fā)生機理的理解�；贛enter的轉(zhuǎn)捩修正的k SST湍流模型及網(wǎng)格變形的動網(wǎng)格技術(shù)對繞其1/4弦長點作正弦波周期性振蕩的風力機翼型進行了CFD模擬，并與風洞測試的非定常實驗結(jié)果進行了全面的對比，表明兩者基本吻合，驗證了動態(tài)失速數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。通過流線分布和壓力系數(shù)分布，揭示了氣動力遲滯回線的變化特征。 4）基于所獲得包括未失速、失速初生到輕度失速以及最后的深度失速多個工況下的非定常流場數(shù)據(jù)，研究了不同折合頻率、平均攻角以及振蕩幅角對翼型動態(tài)失速的影響。折合頻率對動態(tài)失速有著重要的影響，隨著折合頻率的增大，升力的峰值出現(xiàn)在更高的攻角處，遲滯效應變得更為顯著。在某些工況中，導致負的氣動阻尼和遲滯現(xiàn)象加劇。并且基于升阻力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，分析了動態(tài)失速對實際運行的風力機載荷的影響。 5）基于以上的翼型非定常數(shù)據(jù)，利用SBRF降階建模方法，有效地預測了動態(tài)失速條件下翼型的非定常升力，，阻力和轉(zhuǎn)矩。研究證明，對氣動響應求解要求逼近精度較高的諸多氣動彈性以及被動/主動最優(yōu)化設計研究中，SBRF降階模型是一種非常理想的既保留極高近似精度又具有較高計算效率的非定常氣動模型。 6）采用合成射流，對靜態(tài)及振蕩的風力機翼型繞流流場進行了流動控制效果的數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn)：對于靜態(tài)翼型，在小攻角流動附著時，對翼型的性能則有負面的影響，在預失速階段，合成射流對翼型性能有顯著的提升效果，在過失速區(qū)域則影響微弱。對動態(tài)振蕩翼型，合成射流在翼型振蕩周期很大范圍內(nèi)能夠有效抑制動態(tài)失速條件下的氣動力遲滯效應，但是對于深度失速時有限的大攻角范圍內(nèi)，仍然存在強烈的渦脫落及氣動力振蕩。
【圖文】：

上海交通大學博士學位論文 第一章 緒論有利效應使得葉片的流動分離向更高的攻角處延遲發(fā)生。后來 Milborrow[19]于 1985 年在風力機葉片上也研究了這個失速延遲效應，發(fā)現(xiàn)在越靠近葉片根部區(qū)域，這個現(xiàn)象越明顯，根部由于較低的旋轉(zhuǎn)速度獲得了較大的攻角。1992 年，Ronsten[20]測量了一個靜止和旋轉(zhuǎn)葉片上的表面壓力，比較了三個展向位置的靜止葉片和旋轉(zhuǎn)葉片的在同一攻角下的壓力系數(shù)分布，如圖 1.3 所示，并且指出旋轉(zhuǎn)葉片上的較低的逆壓梯度是失速延遲的原因。Sicot[21]于 2008 年考慮了湍流和旋轉(zhuǎn)的耦合影響，對一個小風力機模型進行了實驗測量，提出了基于分離區(qū)中的弦向壓力梯度分布來確定旋轉(zhuǎn)葉片分離點位置的方法。然而他們的研究顯示，升力的增加似乎和分離區(qū)一個較低的壓力值有關而不是失速延遲效應。

上海交通大學博士學位論文 第一章 緒論得到修正后的翼型三維升阻力系數(shù)。在 2000 年以前，風能界一直缺乏一個在多種運行工況下的全尺度風力機氣動載荷和性能的實驗數(shù)據(jù)庫，以供研究人員更好地理解風力機空氣動力學機理，并同時對一些預測方法的驗證和建模問題給予一個權(quán)威的數(shù)據(jù)來源�；诖四康�，美國國家可再生能源實驗室，于 2000 年在位于俄亥俄州的 NASA Ames 世界最大的風洞(24.4m 36.6m)中，對一個直徑約為 10.1m 的模型風力機(NREL Phase VI 風輪)進行了測試[32, 33]。這些測試排除了在風力機實地測量當中不可避免的由于多變的大氣環(huán)境效應所以引起的不確定因素。風洞測試結(jié)果 NASA Ames 風洞實驗數(shù)據(jù)包[34, 35]使得許多考慮了旋轉(zhuǎn)效應的現(xiàn)存模型得以被改進。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK83

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張攀峰;王晉軍;;孔口傾斜角對合成射流控制翼型流動分離的影響[J];兵工學報;2009年12期

2 劉艷明;伍耐明;董金鐘;周盛;;合成射流作用機理及其對共軸射流摻混的影響[J];北京航空航天大學學報;2007年01期

3 張攀峰;王晉軍;;合成射流控制NACA0015翼型大攻角流動分離[J];北京航空航天大學學報;2008年04期

4 楊科;王會社;徐建中;杜建一;趙曉路;;基于CFD技術(shù)的高性能風力機翼型最優(yōu)化設計方法[J];工程熱物理學報;2007年04期

5 高志鷹;汪建文;韓曉亮;東雪青;劉冬冬;新吉勒圖;仇連君;;風力機葉片動態(tài)繞流結(jié)構(gòu)的PIV實驗研究[J];工程熱物理學報;2009年02期

6 羅振兵,夏智勛,方丁酉,王志吉,胡建新;合成射流影響因素[J];國防科技大學學報;2002年03期

7 王德全;夏智勛;羅振兵;;相鄰合成射流激勵器低速射流矢量控制研究[J];固體火箭技術(shù);2006年05期

8 李佳;胡丹梅;張建平;;水平軸風力機靜態(tài)失速數(shù)值模擬[J];華東電力;2011年07期

9 沈丹東;馬炳和;鄧進軍;苑偉政;;壓電式微型合成射流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計[J];航空學報;2011年09期

10 張攀峰;燕波;戴晨峰;;合成射流環(huán)量控制翼型增升技術(shù)[J];中國科學:技術(shù)科學;2012年09期

本文編號：2647564