濃縮風能裝置結(jié)構(gòu)及選材優(yōu)化設計.pdf

1、濃縮風能裝置是濃縮風能型風力發(fā)電機組的核心部件，其結(jié)構(gòu)會影響風輪安裝截面處的風速及擴散管內(nèi)部的流動分離，直接決定了機組的輸出功率，需要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化;濃縮風能裝置的選材會影響其成本及安全性，需要對其選材進行優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材優(yōu)化之前，需要對計算模擬方法進行可靠性分析。主要完成了以下研究工作:
　　(1)研究了濃縮風能裝置建模仿真的可靠性
　　基于計算流體力學中的控制方程、湍流的基本方程、湍流求解方法、湍流粘性模型進行建

2、模仿真，給出濃縮風能裝置車載試驗各風速測試點的設置，對濃縮風能裝置進行計算流體力學分析，得出在收縮管和中央圓筒部分，采用質(zhì)量流量入口比采用速度入口的計算結(jié)果更準確，在后續(xù)仿真計算中均采用質(zhì)量流量入口邊界條件;對濃縮風能裝置所處流場進行網(wǎng)格無關性分析，相關中心設置為Fine，相關性設置為70時，流體計算結(jié)果在定性預測方面是可靠的，可以用來對濃縮風能裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;且風輪安裝截面處計算結(jié)構(gòu)多數(shù)相對誤差在10％以內(nèi)，基本可以滿足定量預測要求

3、。在網(wǎng)格無關性測試的基礎上進行雷諾數(shù)無關性測試，結(jié)果表明，采用不同雷諾數(shù)進行的仿真計算，其結(jié)果之間平均相對誤差差別較小;計算時采用的雷諾數(shù)與車載試驗中的雷諾數(shù)稍有差別，并不會在研究的流場中導致較大的誤差，且采用經(jīng)計算得出的雷諾數(shù)進行計算其相對誤差是最小的。
　　(2)研究了濃縮風能裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法是在原濃縮風能裝置的擴散管外緣新增一段擴散管。根據(jù)新增擴散管母線的不同長度d及該母線與豎直方向的不同夾角α可以得

4、到一系列濃縮風能裝置模型。采用計算流體力學方法對不同結(jié)構(gòu)的濃縮風能裝置模型進行對比分析，得出性能較好的模型。擴散管入口斷面的靜壓越低，則濃縮風能裝置的濃縮風能特性越好。分析新增擴散管對濃縮風能裝置性能的影響機理，得出擴散管內(nèi)壁面附近出現(xiàn)流動分離會使?jié)饪s風能特性下降，且流動分離影響的是氣流在擴散管內(nèi)部從軸線至內(nèi)壁面的徑向擴散，而徑向擴散的標志為軸線與擴散管內(nèi)壁面之間出現(xiàn)順壓梯度。
　　當新增擴散管母線長度d為0.4D時（D為中央圓筒

5、直徑），新增擴散管母線與豎直方向夾角α為0～20°時，會使新增擴散管后方產(chǎn)生的漩渦過于強烈，可使漩渦外緣的部分氣流流向原擴散管出口，影響原擴散管出口流出的氣流沿徑向的擴散，因此會使?jié)饪s風能特性降低;隨著α角度的增大，新增擴散管后方產(chǎn)生的漩渦強度會變?nèi)?，漩渦外緣流向原擴散管出口的氣流減少，新增擴散管內(nèi)部的徑向擴散會得到改善，濃縮風能特性逐漸提高。但當α角度大于40°之后，新增擴散管外緣的風速會下降，漩渦也會逐漸消失，濃縮風能特性開始下降，

6、在50°和60°之間會出現(xiàn)突然的降低。
　　當α角度為40°，d值在0.1D至0.2D范圍內(nèi)，新增擴散管后方未觀察到漩渦，但在該范圍內(nèi)隨著d值的增加，新增擴散管內(nèi)部的徑向擴散會得到改善，進而濃縮風能特性會提高。當d值在0.2D至0.4D范圍內(nèi)，濃縮風能特性提升幅度較大;當d值在0.4D至0.6D范圍內(nèi)，濃縮風能特性提升幅度變小;
　　(3)研究了濃縮風能裝置的選材優(yōu)化
　　對濃縮風能裝置優(yōu)化模型進行選材優(yōu)化設計。其方法

7、是采用流固耦合的方法計算一定風速下風力載荷在由所選材料制成的濃縮風能裝置上產(chǎn)生的最大應力;如果該最大應力小于所選材料的斷裂應力，則該材料為可選用材料。在流固耦合分析中，為使計算結(jié)果更加可靠，對固體場進行網(wǎng)格無關性分析。分析結(jié)果表明，當體網(wǎng)格及面網(wǎng)格尺寸小于0.015m，網(wǎng)格數(shù)目大于216379之后，流固耦合計算的精度即滿足要求。為盡量降低誤差，采用體網(wǎng)格及面網(wǎng)格的網(wǎng)格尺寸均為0.009m的網(wǎng)格劃分設置對固體場進行網(wǎng)格劃分，并進行后續(xù)計算