【摘要】：葉片邊界層流動(dòng)分離是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中常見的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象之一,不僅會(huì)造成風(fēng)輪的捕獲功率下降,還影響風(fēng)力機(jī)的工作穩(wěn)定性�？梢圆捎靡欢ǖ牧鲃�(dòng)控制方法,延緩或消除流動(dòng)分離,提高葉片氣動(dòng)性能。零質(zhì)量射流是一種新興的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù),具有無需額外氣源、響應(yīng)速度快等獨(dú)特優(yōu)勢,僅對(duì)外輸出動(dòng)量而輸出質(zhì)量為零等顯著特征,使其在風(fēng)力機(jī)葉片流動(dòng)控制方面極具應(yīng)用潛力。采用CFD方法,以零質(zhì)量射流激勵(lì)器、平板、凸包、翼型和立軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,開展了零質(zhì)量射流及其流動(dòng)控制的研究。分析了激勵(lì)器不同控制參數(shù)對(duì)流動(dòng)控制效果的影響規(guī)律,揭示了零質(zhì)量射流抑制葉片流動(dòng)分離的原因,為基于該技術(shù)風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。以零質(zhì)量射流激勵(lì)器為研究對(duì)象,建立了零質(zhì)量射流激勵(lì)器簡化模型,研究了靜止域中零質(zhì)量射流的二維流場和平板上橫流中零質(zhì)量射流的二維流場。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較,確定了簡化模型和計(jì)算方法的正確性。分析了激勵(lì)器出口附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu),不同激勵(lì)參數(shù)對(duì)流場擾動(dòng)的特征以及零質(zhì)量射流對(duì)邊界層的作用規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),零質(zhì)量射流會(huì)在孔口處產(chǎn)生旋渦對(duì),旋禍對(duì)在自身的誘導(dǎo)作用下不斷向外擴(kuò)展。隨激勵(lì)頻率增加,旋渦距孔口距離、渦核半徑和渦對(duì)間距逐漸減小。零質(zhì)量射流在橫流中的時(shí)均流場與連續(xù)射流相似。在吹吸氣不同階段,零質(zhì)量射流對(duì)邊界層作用不同。速度比相同時(shí),零質(zhì)量射流使邊界層內(nèi)速度型更飽滿,控制效果優(yōu)于連續(xù)射流。激勵(lì)速度越大,射流運(yùn)動(dòng)軌跡受橫流影響越小。激勵(lì)頻率越大,射流運(yùn)動(dòng)軌跡與相同速比的連續(xù)射流軌跡越接近。以平板上凸包為研究對(duì)象,研究了零質(zhì)量射流對(duì)凸包分離流動(dòng)的控制作用。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)后,分析了孔間距變化對(duì)凸包分離流動(dòng)控制的影響規(guī)律,揭示了零質(zhì)量射流抑制凸包流動(dòng)分離的機(jī)理。基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究了四個(gè)控制參數(shù)對(duì)凸包流動(dòng)控制的綜合影響,采用極差分析法得到了影響三個(gè)指標(biāo)(分離點(diǎn)、再附點(diǎn)和分離區(qū)面積)的各控制參數(shù)的主次順序。研究發(fā)現(xiàn),零質(zhì)量射流激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的射流使分離區(qū)內(nèi)速度型更飽滿。吹氣時(shí)孔后旋渦將分離區(qū)外的高能流體卷入分離區(qū)內(nèi),分離面積減小;吸氣時(shí)孔上游邊界層內(nèi)低速流體被吸入孔內(nèi),孔附近邊界層變薄,分離推遲�？兹肷浣嵌葘�(duì)凸包分離點(diǎn)位置影響最大。激勵(lì)頻率對(duì)凸包再附點(diǎn)位置和回流區(qū)面積影響最大。以某風(fēng)力機(jī)翼型為研究對(duì)象,研究了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)失速下,不帶/帶零質(zhì)量射流翼型的二維繞流場。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)后,分析了控制參數(shù)變化對(duì)翼型分離流動(dòng)控制的影響規(guī)律,揭示了零質(zhì)量射流減小翼型氣動(dòng)特性遲滯效應(yīng)的原因。研究發(fā)現(xiàn),零質(zhì)量射流具有推遲翼型表面流動(dòng)分離,增升減阻的作用。翼型發(fā)生動(dòng)態(tài)失速時(shí),失速攻角隨折合頻率增大而增加,氣動(dòng)特性曲線波動(dòng)次數(shù)隨折合頻率增大而減小。零質(zhì)量射流可以抑制翼型動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象,施加零質(zhì)量射流控制后,翼型氣動(dòng)特性曲線產(chǎn)生高頻波動(dòng)。遲滯效應(yīng)隨激勵(lì)頻率和激勵(lì)速度的增加而減弱,高頻振蕩次數(shù)隨激勵(lì)頻率的增加而增加。以某立軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,研究了不帶/帶零質(zhì)量射流的兩葉片結(jié)構(gòu)的H型風(fēng)力機(jī)的二維非定常繞流場。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)后,分析了控制參數(shù)變化對(duì)葉片動(dòng)態(tài)失速的影響規(guī)律,揭示了施加控制后風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷提高的原因。研究發(fā)現(xiàn),零質(zhì)量射流布置在葉片前緣10%位置時(shí)可以抑制葉片前緣渦的產(chǎn)生,延緩尾緣渦的脫落,大幅提升風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)。零質(zhì)量射流主要提升葉片相位角在90°至180°之間的做功能力。施加零質(zhì)量射流控制后切向力系數(shù)曲線會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),隨動(dòng)量系數(shù)增加,波動(dòng)幅度增大。綜合考慮能量消耗與葉片輸出功率的關(guān)系,動(dòng)量系數(shù)選取不易大于0.015。
【圖文】：

作為？種重要的清潔能源，風(fēng)能已經(jīng)成為世界各國發(fā)展可Ｗ生能源的逡逑共同選擇。全球風(fēng)能理事會(huì)最新公布數(shù)據(jù)顯示：截止到２０１８年底，世界風(fēng)電裝逡逑機(jī)容量己達(dá)到６０億千瓦叫我國風(fēng)電裝機(jī)容量己達(dá)到２２億千瓦％如圖１－１。逡逑歐盟和美國分別計(jì)劃到２０３０年風(fēng)電提供３３％和２０％的電力１３’４１。我國Ｗ家能源逡逑局提出至２０２０年底確保風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)２．１億千瓦以上，年發(fā)電量占逡逑國家總發(fā)電量６％的規(guī)劃目標(biāo)［５＞�？梢姡磥頂�(shù)十年內(nèi)風(fēng)電發(fā)展前景廠Ｎ，必將逡逑成為未來能源結(jié)構(gòu)中的？個(gè)重要組成部分。逡逑７０００００邋邐２５００００邋邐逡逑ｆ邋６０００００邋＿邐＾逡逑Ｉｓｏｏｏｏｏ邋：邐｜一邐．■曑逡逑Ｉ：邐■■■ｉｌｌ邋｜１：邐■卜．；１：丨逡逑２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８邐２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８逡逑Ｙｅａｒ邐Ｙｅａｒ逡逑圖１－１邋１１１：界累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量１１１邐閣１－２我國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)＃量ｍ逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｇｌｏｂａｌ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙＮＩ邐Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ＾逡逑根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方式不同風(fēng)力機(jī)可分為水＇Ｉ＇？軸風(fēng)力機(jī)（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋Ａｘｉｓ邋Ｗｉｎｄ逡逑Ｔｕｒｂｉｎｅ，邋ＨＡＷＴ）和立軸風(fēng)力機(jī)（Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋Ａｘｉｓ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ，邋ＶＡＷＴ）兩類。逡逑目前采用最多的是水平軸風(fēng)力機(jī)

渦發(fā)生器結(jié)構(gòu)為三角形、梯形或矩形等，傳統(tǒng)的渦發(fā)生器高度與邊逡逑界層厚度保持在一個(gè)量級(jí)，渦發(fā)生器常與來流有一定夾角，，被成對(duì)布置在翼型逡逑前緣（如圖１－４）。渦發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的集中渦，該集中渦在渦發(fā)生器逡逑下游會(huì)將邊界層外的高能流體卷吸到邊界層內(nèi)，從而達(dá)到抑制分離的目的［４３］。逡逑Ｖｏｒｔｉｌｏｎｓ逡逑圖１－４帶渦發(fā)生器翼型示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ａｉｒｆｏｉｌ邋ｗｉｔｈ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ逡逑渦發(fā)生器是一種很小的流動(dòng)控制裝置，為了研宄渦發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片分逡逑流流動(dòng)的控制效果，并優(yōu)化渦發(fā)生器的安裝位置、幾何等參數(shù)，人們常采用簡逡逑化的渦發(fā)生器計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬。比如Ｂｅｎｄｅｒ等１４４１提出的ＢＡＹ模型，Ａｄａｍ逡逑等［４５１提出的ＪＢＡＹ模型等。近期張磊等１４６］利用勢流理論得到了旋渦強(qiáng)度的計(jì)算逡逑公式，將渦發(fā)生器的影響以源項(xiàng)的形式添加到控制方程中，建立了一個(gè)新的數(shù)逡逑值模型。逡逑李新凱［４７］以帶渦發(fā)生器的兆瓦級(jí)葉片為模型，采用ＣＦＤ和實(shí)驗(yàn)方法，研逡逑究了渦發(fā)生器抑制葉「分離流動(dòng)的效果，并分析了渦發(fā)生器對(duì)葉片強(qiáng)度的影響。逡逑結(jié)果表明渦發(fā)生器會(huì)降低葉片強(qiáng)度
【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】：2019
【分類號(hào)】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

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1 李新凱;戴麗萍;康順;梁思超;;風(fēng)力機(jī)大厚度鈍尾緣翼型數(shù)值模擬研究[J];動(dòng)力工程學(xué)報(bào);2015年11期

2 邵純;曹燕飛;鄒龍;陳偉芳;;零質(zhì)量射流及其在進(jìn)氣道流動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J];工程力學(xué);2015年04期

3 何鵬;董金鐘;;合成射流方向布局對(duì)S形進(jìn)氣道分離控制的效應(yīng)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年02期

4 左偉;顧蘊(yùn)松;程克明;劉源;;斜出口合成射流控制機(jī)翼分離流實(shí)驗(yàn)研究[J];實(shí)驗(yàn)流體力學(xué);2014年06期

5 高翔;胡駿;王志強(qiáng);;葉尖射流對(duì)風(fēng)力機(jī)葉尖流場影響的數(shù)值研究[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2014年08期

6 鄧雄;夏智勛;羅振兵;王林;;合成雙射流矢量特性影響因素分析[J];推進(jìn)技術(shù);2014年08期

7 陳建輝;謝永慧;申仲e

本文編號(hào)：2696738