水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、葉片是水平軸風(fēng)力機(jī)的核心部件,可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。葉片的氣動(dòng)性能不僅直接決定風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率,還影響風(fēng)力機(jī)及其部件的運(yùn)行可靠性。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在自然環(huán)境中,由大氣湍流、風(fēng)剪切以及陣風(fēng)等引起的流動(dòng)不穩(wěn)定性,同時(shí)由葉片、塔架等部件的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題進(jìn)一步增加了葉片流動(dòng)的復(fù)雜性。建立具有明確物理意義,準(zhǔn)確高效的風(fēng)力機(jī)定常/非定常氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)方法,不但可為風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)和控制策略確定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也是具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值的研究工作。
　

2、　本文基于升力面渦方法,建立水平軸風(fēng)力機(jī)葉片定常與非定常工況下氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)模型,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可計(jì)及彎掠三維形狀的風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),以及獨(dú)立變槳控制策略的氣動(dòng)分析方法。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.建立空間迭代自由尾跡數(shù)值計(jì)算方法,結(jié)合升力面法編制能預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)在定常和準(zhǔn)定常工況下氣動(dòng)性能的計(jì)算程序。數(shù)值研究了風(fēng)力機(jī)在正對(duì)來(lái)流及不同偏航角工況下的尾跡空間結(jié)構(gòu),成功地捕捉到葉尖渦發(fā)展的基本特征,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)在正對(duì)來(lái)流時(shí)葉尖

3、渦的膨脹過(guò)程及葉尖渦在不同偏航角下的偏轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)。在低風(fēng)速及較小偏航角工況下,氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。
　　2.在采用空間迭代自由尾跡的升力面模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出風(fēng)力機(jī)在定常及準(zhǔn)定常工況下的氣動(dòng)性能的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了具有彎掠三維形狀的葉片對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。彎掠葉片通過(guò)改變?nèi)~尖渦和葉片主體的相對(duì)位置影響葉片上的徑向環(huán)量分布,進(jìn)而改變風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。
　　3.建立時(shí)間步進(jìn)自由尾跡數(shù)值計(jì)算方法,改進(jìn)了計(jì)算的穩(wěn)定性,結(jié)

4、合升力面法,建立能預(yù)測(cè)更為復(fù)雜非定常工況的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算程序。分別預(yù)測(cè)了槳距角突變,塔架影響,風(fēng)剪切等工況下的風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能,并研究了獨(dú)立變槳時(shí)的氣動(dòng)特性。
　　4.利用時(shí)間步進(jìn)自由尾跡的升力面模型,在槳距角突變過(guò)程中準(zhǔn)確獲得具有下沖與過(guò)沖特征的風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)性能。發(fā)現(xiàn)脫落渦對(duì)風(fēng)輪上的氣動(dòng)性能影響的時(shí)間尺度較短,其數(shù)量級(jí)為 c/Ωr級(jí)別,近場(chǎng)尾跡和葉尖渦達(dá)到新的平衡狀態(tài)所需時(shí)間尺度較大,其數(shù)量級(jí)為。
　　5.通過(guò)引入

5、塔架對(duì)上游和下游流場(chǎng)影響的模型,采用時(shí)間步進(jìn)法預(yù)測(cè)了塔架對(duì)上風(fēng)向和下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能的影響。葉片經(jīng)過(guò)塔影區(qū)域時(shí)輸出功率和載荷有所下降,并在相位角上存在滯后效應(yīng),塔影對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的性能影響波動(dòng)幅值更大,風(fēng)力機(jī)在偏航工況下運(yùn)行時(shí),風(fēng)力機(jī)受塔架影響更為明顯。
　　6.采用時(shí)間步進(jìn)法,研究了風(fēng)剪切對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)性能的影響,類似偏航,在周向呈現(xiàn)周期性變化的趨勢(shì)。并對(duì)獨(dú)立變槳技術(shù)在風(fēng)剪切工況下應(yīng)用的氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析,認(rèn)為該技術(shù)能有