極端風(fēng)況下水平軸風(fēng)力機(jī)的非定常氣動特性研究.pdf

1、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(diǎn)。其主要利用形式是風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)力機(jī)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(jī)一般工作在非穩(wěn)態(tài)的外部環(huán)境中，風(fēng)況條件是運(yùn)行環(huán)境的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重影響著風(fēng)力機(jī)的氣動性能。其中包含的極端風(fēng)況是風(fēng)力機(jī)的臨界外部設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)極端風(fēng)況模型，以某三葉片1.5MW水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對象，建立三維計(jì)算模型并劃分

2、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(jī)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(yùn)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(yùn)行周期內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。為了對

3、比起見，對入口速度為10.4m/s的均勻來流條件也進(jìn)行數(shù)值模擬，除入口速度外其它計(jì)算設(shè)置與極端陣風(fēng)風(fēng)況相同。
　　均勻來流時(shí)各時(shí)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(shí)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(shí)間曲線近似為直線。
　　在極端連續(xù)陣風(fēng)運(yùn)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

4、法向力、切向力系數(shù)與風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，葉片吸力面大部分區(qū)域?yàn)楦街?，各截面壓差和來流攻角較??；高風(fēng)速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩曲線與時(shí)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(shí)刻變大，流動分離點(diǎn)逐漸向前緣靠近，紊流區(qū)不斷擴(kuò)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(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)速先

5、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(shí)，同樣由于葉片失速使轉(zhuǎn)矩和截面氣動力系數(shù)開始減?。蛔畲箫L(fēng)速時(shí)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(dá)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(yùn)行陣風(fēng)運(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)速波動變化，各時(shí)刻風(fēng)輪外特性和流