【摘要】：風(fēng)能是一種環(huán)境友好型的可再生能源,當(dāng)前已成為世界各國研究和投資的熱點。其主要利用形式是風(fēng)能發(fā)電,風(fēng)力機作為發(fā)電設(shè)備的核心部件可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機一般工作在非穩(wěn)態(tài)的外部環(huán)境中,風(fēng)況條件是運行環(huán)境的關(guān)鍵因素之一,嚴重影響著風(fēng)力機的氣動性能。其中包含的極端風(fēng)況是風(fēng)力機的臨界外部設(shè)計條件,對其生產(chǎn)安全和使用壽命起到了決定性作用。因此,本文基于標準極端風(fēng)況模型,以某三葉片1.5MW水平軸風(fēng)力機為研究對象,建立三維計算模型并劃分網(wǎng)格,使用Fluent軟件作為求解器,通過求解N-S方程完成均勻來流和極端風(fēng)況下非定常數(shù)值模擬,并對比分析葉片氣動載荷與表面流動狀況,得到極端風(fēng)況對風(fēng)力機氣動特性的影響規(guī)律。本文主要的研究工作和結(jié)果整理如下:選取極端連續(xù)陣風(fēng)、伴隨風(fēng)向變化的極端連續(xù)陣風(fēng)、1年一遇和50年一遇極端運行陣風(fēng)三種極端陣風(fēng)風(fēng)況,輪轂參考風(fēng)速取10.4m/s編寫UDF程序,經(jīng)過編譯后設(shè)置為各極端工況的入口邊界條件,并獲得相應(yīng)運行周期內(nèi)的計算結(jié)果。為了對比起見,對入口速度為10.4m/s的均勻來流條件也進行數(shù)值模擬,除入口速度外其它計算設(shè)置與極端陣風(fēng)風(fēng)況相同。均勻來流時各時刻風(fēng)輪外特性和流場的變化很小,模擬周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩基本維持在270kN?m,葉片各截面壓差從葉根向葉尖增大,且不隨時間改變。來流攻角始終不變,葉片表面流動基本為附著流。截面法向力、切向力系數(shù)從葉根向葉尖減小,氣動力系數(shù)-時間曲線近似為直線。在極端連續(xù)陣風(fēng)運行周期內(nèi)風(fēng)速不斷增大,低風(fēng)速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)與風(fēng)速隨時間的變化規(guī)律相似,葉片吸力面大部分區(qū)域為附著流,各截面壓差和來流攻角較小;高風(fēng)速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩曲線與時間曲線存在差異,葉片失速使吸力面出現(xiàn)大范圍流動分離,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩呈波動性地緩慢上升。風(fēng)速持續(xù)增大,翼型截面前緣壓差和來流攻角也時刻變大,流動分離點逐漸向前緣靠近,紊流區(qū)不斷擴展,并發(fā)生沿展向的流動,產(chǎn)生的分離渦使截面法向力、切向力系數(shù)隨風(fēng)速增大而無規(guī)律振蕩減小。在伴隨風(fēng)向改變的極端連續(xù)陣風(fēng)運行周期內(nèi)風(fēng)速先增大后減小,風(fēng)速增大階段內(nèi),轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)以及流場狀態(tài)均與極端連續(xù)陣風(fēng)工況的低風(fēng)速階段類似,在接近最大風(fēng)速時,同樣由于葉片失速使轉(zhuǎn)矩和截面氣動力系數(shù)開始減小;最大風(fēng)速時刻,葉片吸力面出現(xiàn)小范圍的流動分離,截面壓差與來流攻角達到最大;隨后風(fēng)速下降階段內(nèi),葉片吸力面的分離區(qū)域逐漸減小,但轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)曲線無法迅速恢復(fù)成與風(fēng)速曲線相同的變化規(guī)律。在極端運行陣風(fēng)運行周期內(nèi)風(fēng)速波動變化,各時刻風(fēng)輪外特性和流場的變化規(guī)律同上,轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)的最大值較風(fēng)速最大值的出現(xiàn)有所提前。經(jīng)過最大風(fēng)速時刻后,在來流減速段內(nèi)高風(fēng)速下產(chǎn)生的分離渦逐漸減弱并被來流帶走,流動重新恢復(fù)為附著流,各系數(shù)也逐漸恢復(fù),紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化過程中流動的不穩(wěn)定性較強,使法向力、切向力系數(shù)的減小過程出現(xiàn)了不規(guī)則的波動變化。50年一遇極端運行陣風(fēng)風(fēng)速變化范圍更大,運行時間更長,氣動載荷和流動狀態(tài)變化也比1年一遇極端運行陣風(fēng)條件下更明顯。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK83

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