水平軸風(fēng)力機(jī)葉片失速問題研究.pdf

1、水平軸風(fēng)力機(jī)是最有效的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置,在其開發(fā)和研制過程當(dāng)中,最關(guān)鍵的核心問題就是設(shè)計(jì)高效、高可靠性的風(fēng)輪。隨著風(fēng)力機(jī)的尺寸逐漸增大,需要更可靠的氣動(dòng)載荷預(yù)測(cè)方法,來確保更加優(yōu)化的設(shè)計(jì)。氣動(dòng)載荷的可靠預(yù)測(cè)必須依賴準(zhǔn)確的工程計(jì)算方法、氣動(dòng)力模型和修正模型。這些方法及模型的準(zhǔn)確性又取決于對(duì)靜態(tài)失速(失速延遲)、動(dòng)態(tài)失速及動(dòng)態(tài)載荷等關(guān)鍵氣動(dòng)問題所涉及的復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理的正確認(rèn)識(shí)和深刻理解。本文通過數(shù)值計(jì)算和理論分析,研究了風(fēng)力機(jī)靜態(tài)失速和動(dòng)態(tài)失速等

2、氣動(dòng)問題,提出了一種基于代理的遞歸框架的非定常氣動(dòng)力降階模型,采用了合成射流的方式對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型進(jìn)行了主動(dòng)流動(dòng)控制的研究。研究以具有豐富詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)風(fēng)輪和經(jīng)典翼型為應(yīng)用對(duì)象。研究成果有助于建立較為準(zhǔn)確的載荷預(yù)測(cè)模型,提高風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)水平,為保障風(fēng)輪的可靠運(yùn)行和提高風(fēng)力機(jī)整體性能提供有力的支持。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪捎肕enter的帶轉(zhuǎn)捩修正的K-εSST湍流模型,成功地對(duì)不同來流速度下的

3、典型的NREL Phase VI風(fēng)輪的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,總體上和實(shí)驗(yàn)值吻合較好,只是在較高的風(fēng)速下,流動(dòng)分離嚴(yán)重,存在一定的差異,驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過葉片不同葉高截面處的壓力系數(shù)分布以及葉片吸力面的極限流線分布詳細(xì)分析了葉輪流場(chǎng)特性。
　?、苹陲L(fēng)輪的全尺度數(shù)值模擬結(jié)果,分析了失速延遲的內(nèi)在流動(dòng)機(jī)制,建立了三維流場(chǎng)和工程模型間的聯(lián)系。推導(dǎo)獲得了風(fēng)輪不同葉高位置的軸向誘導(dǎo)因子,確定了各位置的有效攻角,提取了包含三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及葉

4、根葉尖效應(yīng)的截面翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)。并與Du-Selig失速延遲模型的結(jié)果以及Tangler方法得到的結(jié)果進(jìn)行了深入的比較和分析,探索了實(shí)際葉片不同葉高位置的失速特征。
　?、峭ㄟ^數(shù)值方法分析了典型深度失速工況的流場(chǎng)特征和動(dòng)態(tài)失速渦的發(fā)展、傳播和最后脫落的過程,加深對(duì)動(dòng)態(tài)失速發(fā)生機(jī)理的理解。基于Menter的轉(zhuǎn)捩修正的k-εSST湍流模型及網(wǎng)格變形的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)繞其1/4弦長(zhǎng)點(diǎn)作正弦波周期性振蕩的風(fēng)力機(jī)翼型進(jìn)行了CFD模擬,并與風(fēng)洞測(cè)試

5、的非定常實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面的對(duì)比,表明兩者基本吻合,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)失速數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過流線分布和壓力系數(shù)分布,揭示了氣動(dòng)力遲滯回線的變化特征。
　?、然谒@得包括未失速、失速初生到輕度失速以及最后的深度失速多個(gè)工況下的非定常流場(chǎng)數(shù)據(jù),研究了不同折合頻率、平均攻角以及振蕩幅角對(duì)翼型動(dòng)態(tài)失速的影響。折合頻率對(duì)動(dòng)態(tài)失速有著重要的影響,隨著折合頻率的增大,升力的峰值出現(xiàn)在更高的攻角處,遲滯效應(yīng)變得更為顯著。在某些工況中,導(dǎo)致負(fù)的氣

6、動(dòng)阻尼和遲滯現(xiàn)象加劇。并且基于升阻力和轉(zhuǎn)矩系數(shù),分析了動(dòng)態(tài)失速對(duì)實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)載荷的影響。
　　⑸基于以上的翼型非定常數(shù)據(jù),利用SBRF降階建模方法,有效地預(yù)測(cè)了動(dòng)態(tài)失速條件下翼型的非定常升力,阻力和轉(zhuǎn)矩。研究證明,對(duì)氣動(dòng)響應(yīng)求解要求逼近精度較高的諸多氣動(dòng)彈性以及被動(dòng)/主動(dòng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中,SBRF降階模型是一種非常理想的既保留極高近似精度又具有較高計(jì)算效率的非定常氣動(dòng)模型。
　　⑹采用合成射流,對(duì)靜態(tài)及振蕩的風(fēng)力機(jī)翼型繞