時(shí)間步進(jìn)自由尾跡方法建模及水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析.pdf

1、在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和校核過(guò)程中，氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)是非常重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)出風(fēng)力機(jī)的槳葉氣動(dòng)外形后，計(jì)算其氣動(dòng)性能，可以作為對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)；反之，氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果可以作為反饋，為槳葉氣動(dòng)外形的修正提供依據(jù)。但是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的自然環(huán)境中，風(fēng)剪切、來(lái)流風(fēng)速及風(fēng)向的改變以及塔影效應(yīng)等使得準(zhǔn)確預(yù)估風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷成為非常困難的工作。因此，在現(xiàn)階段的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中，主要采用安全因子來(lái)補(bǔ)償未知載荷，使得風(fēng)力發(fā)電的投資增加，競(jìng)爭(zhēng)力下降。
　　 風(fēng)力機(jī)在

2、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)從槳葉后緣拖出尾跡，形成強(qiáng)烈的卷起渦和內(nèi)部渦面，這些尾渦旋繞在槳葉附近，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)性能產(chǎn)生重要的影響。尾渦的強(qiáng)度由葉素的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及槳葉氣動(dòng)載荷決定；反過(guò)來(lái)，渦的誘導(dǎo)效應(yīng)又會(huì)改變轉(zhuǎn)子的速度場(chǎng)，進(jìn)而影響渦的強(qiáng)度。因此，槳葉和尾跡之間存在相互干擾，對(duì)尾渦的計(jì)算是風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷分析的關(guān)鍵，也是開展風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)際意義。本文基于時(shí)間步進(jìn)自由尾跡方法對(duì)風(fēng)力機(jī)的尾跡及氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究

3、，主要內(nèi)容包括：
　　 ①針對(duì)目前風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷預(yù)測(cè)中常用的動(dòng)量-葉素理論(BEM)不能計(jì)入偏航入流影響的缺陷，采用渦柱理論替代動(dòng)量理論對(duì)其進(jìn)行修正。應(yīng)用修正的理論對(duì)TUDelft模型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能分析表明：即使風(fēng)力機(jī)處于來(lái)流風(fēng)速較小的穩(wěn)定偏航狀態(tài)，BEM理論的計(jì)算誤差仍然較大，不適合于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷分析，因此需要建立新的性能預(yù)測(cè)方法。
　　 ②建立了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間步進(jìn)自由尾跡分析模型。對(duì)轉(zhuǎn)子后拖出的尾跡采用自由尾跡方

4、法進(jìn)行分析，并給出了能處理槳尖渦湍流效應(yīng)的Vatistas渦模型對(duì)Biot-Savart定律進(jìn)行修正，以消除可能出現(xiàn)的數(shù)值奇點(diǎn)；然后對(duì)時(shí)間步進(jìn)差分算法展開研究，由待定系數(shù)法構(gòu)造了一種新的3步3階預(yù)估校正差分格式，以提高尾跡求解的精度。對(duì)風(fēng)力機(jī)槳葉渦系采用Weissinger-L升力面模型進(jìn)行描述，并推導(dǎo)了槳葉附著環(huán)量的求解方程及槳尖渦強(qiáng)度、釋放位置的確定方法。最后建立了完整的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子自由尾跡分析模型，該模型既能用于風(fēng)力機(jī)定常氣動(dòng)性能分

5、析，也能用于復(fù)雜來(lái)流時(shí)的非定常氣動(dòng)性能分析。
　　 ③風(fēng)力機(jī)槳葉產(chǎn)生動(dòng)態(tài)失速時(shí)，采用二維靜態(tài)翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷預(yù)測(cè)會(huì)低估風(fēng)輪的動(dòng)力產(chǎn)生，從而對(duì)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此在設(shè)計(jì)、校核過(guò)程中必須認(rèn)真考慮動(dòng)態(tài)失速的作用。本文將原本用于直升機(jī)旋翼分析的動(dòng)態(tài)失速Beddoes-Leishman半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行相應(yīng)的修改后，應(yīng)用于S809翼型的正弦俯仰振蕩計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：在平均攻角較小時(shí)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，隨

6、著平均攻角的增大，計(jì)算誤差增大，但總體趨勢(shì)是正確的，從而驗(yàn)證了模型的有效性。然后將失速模型耦合入②所建立的時(shí)間步進(jìn)自由尾跡模型，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)槳葉的氣動(dòng)載荷。
　　 ④對(duì)數(shù)值離散算法的精度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用根軌跡法對(duì)幾種差分格式的線性穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：Euler顯式是不穩(wěn)定的，PCC格式是中性穩(wěn)定的，而PC2B及本文推導(dǎo)的PC3B格式均滿足穩(wěn)定性條件。由修正方程的推導(dǎo)對(duì)離散差分格式的精度及非線性穩(wěn)定性的分析表明：本文

7、推導(dǎo)的3階PC3B格式能夠減小尾跡時(shí)間步進(jìn)計(jì)算時(shí)的誤差累積，從而提高尾跡求解精度，且方程中包含與速度梯度無(wú)關(guān)的耗散項(xiàng)，離散格式是強(qiáng)穩(wěn)定，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　 ⑤應(yīng)用時(shí)間步進(jìn)自由尾跡分析模型對(duì)TUDelft風(fēng)力機(jī)和NREL PhaseⅥ風(fēng)力機(jī)在軸流和偏航時(shí)的尾跡形狀和氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算，并與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于來(lái)流風(fēng)速較小的軸流工況時(shí)，尾跡渦不能被輸運(yùn)到下游較遠(yuǎn)的地方，使得渦-渦干擾較大，槳尖渦的位置及氣動(dòng)

8、載荷的計(jì)算誤差較大，隨著風(fēng)速的增大，渦的誘導(dǎo)影響減小，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合非常好；穩(wěn)定偏航時(shí)，本文模型能夠在不添加任何修正模型的情況下較好地預(yù)測(cè)偏航引起的尾跡結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性及周期載荷，從而驗(yàn)證了模型的有效性。
　　 ⑥對(duì)風(fēng)力機(jī)處于變槳、穩(wěn)態(tài)風(fēng)剪切、極端動(dòng)態(tài)來(lái)流等非定常風(fēng)況時(shí)的氣動(dòng)性能計(jì)算表明：復(fù)雜來(lái)流時(shí)，轉(zhuǎn)子尾跡會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)畸變，同時(shí)槳葉上的渦在脫落并向下游傳輸?shù)倪^(guò)程中，需要一定的時(shí)間才能使尾跡從一個(gè)流態(tài)變成另一個(gè)流態(tài)，導(dǎo)致誘導(dǎo)速度