風(fēng)力機(jī)定常與非定常氣動問題的數(shù)值模擬研究.pdf

1、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)勢在風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)問題研究和工程應(yīng)用的各個(gè)方面發(fā)揮著越來越重要的作用，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)捩類型多樣，對邊界層發(fā)展、流動分離及氣動力等影響顯著，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)對風(fēng)力機(jī)性能的劇烈影響，采用

2、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，切變風(fēng)速對風(fēng)輪氣動性能、以及均勻和切變風(fēng)速條件下整機(jī)塔影效應(yīng)對風(fēng)力機(jī)氣動性能的非定常影響。
　　 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)

3、方面展開。首先以失速型風(fēng)力機(jī)NORDTANK500/41為研究對象，在高風(fēng)速條件下，分析了計(jì)算域尺度和網(wǎng)格數(shù)目對葉片定常氣動載荷數(shù)值模擬結(jié)果的影響；進(jìn)而采用全湍流Spalart-Allmaras(S-A)模型、κ-ω SST模型以及在S-A模型中計(jì)及轉(zhuǎn)捩Abu-Ghannam&Shaw(AGS)模型，對風(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)和流動細(xì)節(jié)的詳細(xì)分析；最后以N

4、REL PhaseⅥ風(fēng)力機(jī)為研究對象，進(jìn)行了機(jī)艙對葉片氣動性能影響的數(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)，基本可以滿足氣動計(jì)算結(jié)果與計(jì)算域尺度的無關(guān)性；當(dāng)定常計(jì)算的性能參數(shù)收斂曲線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)氣動性能及流場細(xì)節(jié)；機(jī)艙會影響葉根流動分離和旋渦結(jié)構(gòu)，以及徑向流動沿葉

5、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。
　　 在對切變風(fēng)速下風(fēng)輪的非定常氣動性能研究中，除了對NREL PhaseⅥ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)行了對比分析。結(jié)果顯示：準(zhǔn)三維模型可以很好

6、的反映截面氣動特征，適用于葉片邊界層無分離或分離較小的展向截面處風(fēng)切變下的氣動性能分析；切變風(fēng)速使得風(fēng)力機(jī)性能、載荷和流動參數(shù)波動振幅增大，隨方位角呈近似余弦函數(shù)型式的周期性波動，波動波幅隨風(fēng)速廓線指數(shù)和展向位置而增加，在整個(gè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)呈上下不對稱式分布，且幅值方位角普遍滯后風(fēng)速極值；與不同展向位置處線性增加的線速度引起的流動參數(shù)變化相比，風(fēng)切變影響相對較小，不改變載荷的展向分布規(guī)律，對葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也不至于過大。
　　

7、 在對均勻和切變風(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、壁面極限流線圖和截面流線圖譜等流場細(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)而是相對緩慢的回復(fù)過程。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)作用使得塔前來流始終發(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

8、態(tài)響應(yīng)，對機(jī)組的壽命和運(yùn)行安全不利。切變風(fēng)速條件下，載荷波動幅值增加，相對均勻風(fēng)速條件下增長近倍，并呈上部較大、下部較小，沿展向增加的趨勢。同時(shí)，切變風(fēng)速波動緩和了塔架附近載荷的劇烈波動，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)速下的定常流動到切變風(fēng)速下的非定常流動，再到更為復(fù)雜的風(fēng)切變與塔影非線性綜合作用，層層遞進(jìn)，逐漸接近真實(shí)