水平軸風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)及空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究.pdf

1、葉素動(dòng)量理論比較簡(jiǎn)單，且計(jì)算速度比較快，在風(fēng)力機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但大量實(shí)驗(yàn)表明葉素動(dòng)量理論不能精確計(jì)算風(fēng)輪葉片上的氣動(dòng)載荷，尤其是失速和偏航狀態(tài)。這種方法雖然在經(jīng)典葉素動(dòng)量理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多經(jīng)驗(yàn)修正，但沒(méi)有從流動(dòng)的物理機(jī)理出發(fā)，沒(méi)有考慮尾流結(jié)構(gòu)及三維流動(dòng)的影響。隨著風(fēng)力機(jī)尺寸的增大，該模型精度越來(lái)越不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，所以目前對(duì)風(fēng)力機(jī)的研究?jī)A向于重視基礎(chǔ)理論研究，以弄清楚風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)流動(dòng)的基本機(jī)理。本文研究的目標(biāo)就是為了

2、了解風(fēng)力機(jī)尾流的特征以及其對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷和性能的影響。研究的目的是為風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和分析提供基于流動(dòng)物理機(jī)理的更精確的方法。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1、對(duì)風(fēng)力機(jī)經(jīng)典氣動(dòng)模型和研究方法進(jìn)行了回顧，總結(jié)了各種方法的特點(diǎn)和適用范圍，為開(kāi)展研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 2、基于預(yù)定尾跡方法對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了尾流對(duì)葉片上控制點(diǎn)的誘導(dǎo)速度求解表達(dá)式，建立了誘導(dǎo)速度及尾流結(jié)構(gòu)的求解計(jì)算模型。該計(jì)算模型首先

3、對(duì)理想風(fēng)輪尾跡不擴(kuò)散的簡(jiǎn)單情況進(jìn)行了研究，然后引入擴(kuò)散系數(shù)對(duì)尾流擴(kuò)張的情況進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明該模型可以用來(lái)求解風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的尾流結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力性能，可用于改進(jìn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析和工程設(shè)計(jì)，但由于預(yù)定尾跡是基于試驗(yàn)結(jié)果的，所以其應(yīng)用也有一定的局限性。
　　 3、針對(duì)風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)性能，基于自由尾跡法和升力面法進(jìn)一步研究渦尾流結(jié)構(gòu)，建立了基于自由渦尾跡和升力面法的二階計(jì)算模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。自由尾跡法包括風(fēng)輪流場(chǎng)的Lagrangian

4、描述，考慮了粘性的影響，并將尾跡幾何結(jié)構(gòu)的解與風(fēng)輪氣動(dòng)模型耦合，用于預(yù)測(cè)上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)在非偏航和偏航狀態(tài)下的氣動(dòng)性能和載荷，計(jì)算結(jié)果表明自由尾跡法與非定常翼型模型和葉片模型進(jìn)行耦合可以滿(mǎn)足穩(wěn)定和非穩(wěn)定入流條件下三維非定常流場(chǎng)葉片的氣動(dòng)計(jì)算。
　　 4、利用升力面—自由尾跡模型和葉素動(dòng)量理論模型對(duì)NREL PhaseVI風(fēng)力機(jī)的性能和載荷分別進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)偏航狀態(tài)下上風(fēng)向風(fēng)輪下游的偏斜尾跡結(jié)構(gòu)，在一定偏航角

5、和葉尖速比工況下進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，結(jié)果表明自由尾跡和升力面模型比葉素動(dòng)量理論模型可以更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)瞬態(tài)尾跡氣動(dòng)力、非定常載荷和氣動(dòng)性能。
　　 5、根據(jù)美國(guó)NREL PhaseVI風(fēng)輪數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工了模型風(fēng)力機(jī)，并搭建了風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合CFD模擬計(jì)算，對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)進(jìn)行了不同葉尖速比工況下的三維PIV測(cè)試分析。得到了風(fēng)力機(jī)渦尾跡發(fā)生、發(fā)展、湮滅的規(guī)律，得出了風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪流場(chǎng)的速度分布，研究表明風(fēng)