發(fā)布時(shí)間：2020-05-09 06:00

【摘要】：風(fēng)力機(jī)是大型的外流旋轉(zhuǎn)機(jī)械,繞風(fēng)力機(jī)葉片的流動(dòng)十分復(fù)雜。在運(yùn)行環(huán)境中,由于風(fēng)切變、塔影效應(yīng)、陣風(fēng)以及變槳和偏航調(diào)節(jié)的影響,風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性是高度非定常的。到目前為止,對(duì)風(fēng)力機(jī)非定常流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還非常有限。工程實(shí)踐中主要依靠在均勻入流的基礎(chǔ)上添加經(jīng)驗(yàn)修正模型的方法來確定非定常載荷。這種方式的誤差較大,因而需要采用較高的載荷安全因子。采用高精度的計(jì)算模型,深入研究風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)過程的流動(dòng)機(jī)理和載荷變化規(guī)律,可以指導(dǎo)葉片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,還可以為工程方法中經(jīng)驗(yàn)修正模型的改進(jìn)提供理論依據(jù)。 本文選用兩種數(shù)值模擬方法,分別為對(duì)葉片實(shí)體建模的CFD方法和用體積力項(xiàng)替代風(fēng)輪葉片的致動(dòng)盤、致動(dòng)線方法；詳細(xì)地分析了各數(shù)值方法中的模型、參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算精度的影響,并對(duì)均勻入流、風(fēng)切變?nèi)肓骱涂焖僮儤獥l件下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。 在CFD方法中,對(duì)葉片表面邊界層內(nèi)粘性流動(dòng)求解非常重要,因此首先詳細(xì)評(píng)估了不同湍流模型在氣動(dòng)預(yù)測方面的準(zhǔn)確性。選取Spalart-Allmaras模型、低雷諾數(shù)k-ε模型、k-ω SST模型和計(jì)及轉(zhuǎn)捩的Transition SST模型,對(duì)均勻入流情況下S809翼型和NREL Phase Ⅵ實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,研究結(jié)果顯示,Transition SST對(duì)附著流情況下翼型表面轉(zhuǎn)捩區(qū)域的位置和壓力分布的預(yù)測非常準(zhǔn)確,但在分離流情況下收斂較慢,而且計(jì)算結(jié)果在翼型吸力面前緣存在非物理的壓力尖峰；k-ω SST模型收斂性較好,在截面壓力分布和整體載荷的預(yù)測中比另外兩種模型更為準(zhǔn)確；而單方程S-A模型在某些情況下不能捕捉到葉片附近的流動(dòng)細(xì)節(jié)。同時(shí),在流動(dòng)分離的情況下,各個(gè)湍流模型的預(yù)測結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大的偏差。 對(duì)切變?nèi)肓髑闆r下NREL Phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)的非定常氣動(dòng)特性進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,并考慮了風(fēng)切變指數(shù)的變化來代表不同的風(fēng)場中的風(fēng)速輪廓線。研究結(jié)果顯示：在切變風(fēng)速下,風(fēng)輪葉片的整體載荷和截面氣動(dòng)力都呈現(xiàn)類似余弦曲線的波動(dòng)變化；當(dāng)風(fēng)切變指數(shù)增大時(shí),載荷的波動(dòng)振幅增加非常明顯；截面氣動(dòng)力系數(shù)的極值方位角一般滯后于風(fēng)速極值位置,并且越靠近葉根位置滯后效應(yīng)越明顯,文中對(duì)這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。 由于對(duì)葉片實(shí)體建模的CFD方法在非定常模擬過程中對(duì)計(jì)算資源占用大、耗時(shí)長,后續(xù)的研究采用了體積力源項(xiàng)替代方法。該方法不需要對(duì)葉片建模和邊界層求解,對(duì)湍流模型依賴性較弱,而且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)省計(jì)算資源。 針對(duì)風(fēng)力機(jī)的非定常動(dòng)態(tài)入流現(xiàn)象,編寫致動(dòng)盤數(shù)值計(jì)算程序?qū)REL實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)葉片的快速變槳過程進(jìn)行模擬。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比顯示,計(jì)算結(jié)果能夠較好的模擬載荷過沖并逐漸恢復(fù)平衡的過程。動(dòng)態(tài)入流的特征時(shí)間與推力系數(shù)和展向位置有關(guān),在下變槳過程中由于推力系數(shù)變大,尾流速度變小,達(dá)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間比上變槳過程要長。與對(duì)葉片實(shí)體建模的CFD方法相比,致動(dòng)盤方法大大減少了模擬過程中的資源和時(shí)間消耗。 致動(dòng)線方法考慮了實(shí)際葉片數(shù)和葉片在風(fēng)輪平面的旋轉(zhuǎn),可以處理更寬泛的非定常氣動(dòng)過程。本文編寫了致動(dòng)線方法的數(shù)值計(jì)算程序,并對(duì)數(shù)值模型中參數(shù)的取值進(jìn)行了探討。通過對(duì)均勻入流情況下NREL風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)的流場和載荷的計(jì)算,結(jié)果顯示該方法與對(duì)葉片實(shí)體建模的CFD方法有著近似的精度。然后,采用致動(dòng)線程序?qū)REL實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)在切變?nèi)肓飨碌臍鈩?dòng)特性進(jìn)行研究,選取了輪轂高度風(fēng)速為7m/s和10m/s兩種情況。在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中,兩種切變風(fēng)速下葉片整體載荷波動(dòng)曲線的形狀和相對(duì)振幅存在很大的差別。對(duì)載荷振幅的差別進(jìn)行了定量的比較,并通過葉片截面攻角和升力系數(shù)隨方位角的變化曲線對(duì)其原因進(jìn)行了解釋。同對(duì)葉片實(shí)體建模的CFD方法相比,致動(dòng)線方法在對(duì)非定常工況進(jìn)行模擬時(shí)更節(jié)省計(jì)算資源,并且能夠給出詳細(xì)的尾流流場。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 范忠瑤;風(fēng)力機(jī)定常與非定常氣動(dòng)問題的數(shù)值模擬研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 丁勇鋼;水平軸風(fēng)力機(jī)塔影效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2009年

，

本文編號(hào)：2655701