風(fēng)力機(jī)失速特性研究.pdf

1、本論文是在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目(2014CB046201)支持下完成的。
　　風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)特性是風(fēng)力機(jī)工程研究的核心內(nèi)容之一。氣動(dòng)性能良好的風(fēng)力機(jī)不但可以獲得較高的功率系數(shù)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且在安全可靠性及減少環(huán)境噪聲污染等方面都具有良好的性能。特別是隨著兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的普及，其風(fēng)輪直徑越來(lái)越大，需要研究更為可靠的氣動(dòng)載荷預(yù)估方法和計(jì)算模型，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能計(jì)算。而這些預(yù)估方法和計(jì)算模型的

2、準(zhǔn)確性主要依賴于對(duì)風(fēng)力機(jī)失速特性的研究。
　　本文主要以國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目風(fēng)力機(jī)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)機(jī)組和風(fēng)力機(jī)常用翼型為主要研究對(duì)象，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算及外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分別對(duì)風(fēng)力機(jī)常用翼型及葉片的靜態(tài)失速、動(dòng)態(tài)失速及三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等展開(kāi)研究。其中，靜態(tài)失速的數(shù)值研究主要參閱美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室已公開(kāi)的二維風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)失速特性的數(shù)值研究主要參閱美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)對(duì)S809振蕩翼型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)試風(fēng)力機(jī)葉

3、片在不同工況下的表面壓力分布，了解旋轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)葉片表面壓力分布的影響，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和二維、三維數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探索高精度的數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)一步了解三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉片各端面翼型失速渦的影響機(jī)理。研究成果有助于建立更為準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)載荷預(yù)估模型，為大型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論研究提供可靠的技術(shù)參考。
　　本文研究的主要內(nèi)容及成果包括：
　　1）與二維風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了帶轉(zhuǎn)捩修正的SST k-ω湍流模型在翼型氣

4、動(dòng)性能研究方面的準(zhǔn)確性，并借助于此計(jì)算模型，對(duì)NACA44XX系列翼型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，重點(diǎn)研究了雷諾數(shù)、翼型厚度和表面粗糙度等因素對(duì)其失速特性的影響,認(rèn)為翼型相對(duì)厚度的大小及位置對(duì)翼型失速特性有較大影響，0.5mm是影響翼型表面氣流分離的關(guān)鍵粗糙度。對(duì)NACA4412翼型及其尾緣改型的Gurney翼型、鈍尾緣翼型進(jìn)行數(shù)值研究后認(rèn)為，2％弦長(zhǎng)的鈍尾緣改型翼型具有良好的失速特性，屬于低噪音翼型，但力矩特性呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。
　　2）借助廣義

5、代數(shù)模型和非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格變形技術(shù)，對(duì)S809翼型做俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的失速特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了初始攻角和折算頻率等因子不同時(shí)氣動(dòng)力遲滯曲線的變化規(guī)律，并將俯仰運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的升、阻力系數(shù)遲滯曲線與靜態(tài)翼型的升阻力系數(shù)曲線對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在小攻角范圍內(nèi)翼型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的氣動(dòng)特性差別不大，到失速區(qū)時(shí)二者有明顯的區(qū)別。對(duì)一個(gè)振蕩周期翼型流場(chǎng)及尾渦的變化過(guò)程進(jìn)行分析后認(rèn)為，動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象的產(chǎn)生與翼型表面的非定常分離和渦流的干擾有密切關(guān)系。
　　3)利用滑

6、移網(wǎng)格法對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值研究，通過(guò)研究翼型種類、翼型厚度及翼型實(shí)度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)力矩特性的影響后認(rèn)為，在垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，大部分區(qū)域均處于大攻角失速分離的狀態(tài)；實(shí)度的大小會(huì)直接影響葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的分布和旋轉(zhuǎn)區(qū)域風(fēng)速的降幅；隨翼型厚度的增大，力矩曲線逐漸向小尖速比方向漂移。
　　4）借助國(guó)家973項(xiàng)目風(fēng)力機(jī)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)葉片測(cè)壓實(shí)驗(yàn)。通過(guò)比較在停車和旋轉(zhuǎn)等不同工況下，風(fēng)力機(jī)葉片表面的壓力分布特征

7、，發(fā)現(xiàn)在不同工況下葉片表面壓力分布存在較大差異，在旋轉(zhuǎn)工況下葉片表面壓力分布產(chǎn)生較大波動(dòng)，特別是在葉片根部，壓力分布較為紊亂。說(shuō)明旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)葉片表面存在強(qiáng)烈的氣流分離。
　　5）基于LES算法，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行全尺寸三維數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、二維數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析后認(rèn)為，三維數(shù)值模型充分考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和c/r等多個(gè)因素對(duì)風(fēng)力機(jī)失速特性的影響，能較好地模擬風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程的失速特性，相對(duì)于二維葉素-動(dòng)量理論，其計(jì)