基于相似理論水平軸風(fēng)力機氣動性能研究.pdf

1、作為綠色環(huán)?？稍偕茉矗L(fēng)能的發(fā)展受到全世界的矚目。風(fēng)力機是利用風(fēng)能資源的主要機械之一，并逐步朝著大型化趨勢發(fā)展，但是由于環(huán)境因素、測量誤差、計算資源等因素的制約，對水平軸風(fēng)力機氣動性能的預(yù)估往往經(jīng)驗不足，造成較大誤差。
　　由于針對風(fēng)力機性能預(yù)測的風(fēng)洞試驗和外場試驗經(jīng)常遇到各種環(huán)境干擾因素，加之雷諾數(shù)效應(yīng)的無法避免，影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了解決上述問題，本文以流體力學(xué)中相似理論為基礎(chǔ)，采用不同的近似模型方法，針對兩葉片風(fēng)力機

2、進行三維定常流場計算。通過對比近似模型計算結(jié)果，從葉片表面流動特性和力特性進行分析，得到最適合風(fēng)力機相似計算的近似模型方法。在此近似模型法的基礎(chǔ)上，計算了最佳縮比率的適用范圍。進而通過三葉片的大型風(fēng)力機數(shù)值計算進行驗證，結(jié)果表明各個工況下的模型風(fēng)力機葉片表面流動特性及載荷特性與原型保持相似。整個研究過程加強了對風(fēng)力機空氣動力學(xué)的理解，且將相似理論與空氣動力學(xué)相互柔和，形成一套較完整的風(fēng)力機相似理論數(shù)值計算方法，總結(jié)如下:
　　(1

3、)通過兩葉片風(fēng)力機數(shù)值計算結(jié)果可知僅滿足幾何相似和葉尖速比相等并不充分，尤其是在風(fēng)力機運行過程中發(fā)生強烈流動分離時，計算結(jié)果與原型結(jié)果相差較大。
　　采用弗勞德模型法和雷諾模型法對兩葉片風(fēng)力機幾何縮比模型進行三維數(shù)值計算對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷諾模型法在滿足雷諾相似準(zhǔn)則和相關(guān)參數(shù)比例關(guān)系條件下，可有效的實現(xiàn)縮比模型和原型的葉片表面流動情況相似，并且換算得到的葉片表面壓力系數(shù)、軸向力和扭矩的相對誤差在2％以內(nèi)，因此確定雷諾模型法為最適合風(fēng)力

4、機幾何縮比模型研究的方案。在此研究結(jié)果基礎(chǔ)之上，模型的幾何縮比率范圍控制在2.027％到10.135％之間，保證了模型與原型結(jié)果相對誤差在5％之內(nèi)。
　　(2)將上述較完整的汁算模型應(yīng)用于三葉片大型風(fēng)力機，通過多個相似工況的計算結(jié)果進行驗證。研究表明運用雷諾模型法的模型與原型的風(fēng)輪流動特性和力特性計算結(jié)果相似，平均相對誤差保持在1.5％左右。說明針對大型三葉片風(fēng)力機采用雷諾模型法同樣可以在縮比條件下有效且準(zhǔn)確的反應(yīng)其流動特性，對大

5、型風(fēng)力機氣動性能預(yù)測有較高的可靠性。
　　(3)根據(jù)兩葉片模型計算結(jié)果，研究了雷諾模型法對雷諾數(shù)、湍流粘度以及葉片法向力系數(shù)和切向力系數(shù)的影響，得到以下結(jié)論:
　　雷諾模型法通過相似換算，有效地將小尺寸風(fēng)力機模型的雷諾數(shù)提升到與原型相同的數(shù)量級上，即保證了幾何、運動相似關(guān)系，同時也滿足雷諾相似準(zhǔn)則。通過對比湍流粘度，發(fā)現(xiàn)采用雷諾模型法的模型，在渦流較強烈的區(qū)域，具有較高的湍流粘度;在流動較為平緩的情況下，其湍流粘度比在未改變