风力机叶片非定常气动特性的研究

发布时间：2020-05-09 06:00

【摘要】：风力机是大型的外流旋转机械,绕风力机叶片的流动十分复杂。在运行环境中,由于风切变、塔影效应、阵风以及变桨和偏航调节的影响,风力机的气动特性是高度非定常的。到目前为止,对风力机非定常流动机理的认识还非常有限。工程实践中主要依靠在均匀入流的基础上添加经验修正模型的方法来确定非定常载荷。这种方式的误差较大,因而需要采用较高的载荷安全因子。采用高精度的计算模型,深入研究风力机非定常气动过程的流动机理和载荷变化规律,可以指导叶片的设计和优化,还可以为工程方法中经验修正模型的改进提供理论依据。本文选用两种数值模拟方法,分别为对叶片实体建模的CFD方法和用体积力项替代风轮叶片的致动盘、致动线方法；详细地分析了各数值方法中的模型、参数的选取对计算精度的影响,并对均匀入流、风切变入流和快速变桨条件下风力机的气动特性进行了系统地研究。在CFD方法中,对叶片表面边界层内粘性流动求解非常重要,因此首先详细评估了不同湍流模型在气动预测方面的准确性。选取Spalart-Allmaras模型、低雷诺数k-ε模型、k-ω SST模型和计及转捩的Transition SST模型,对均匀入流情况下S809翼型和NREL Phase Ⅵ实验风力机的气动特性进行了数值模拟。将计算结果与实验数据进行对比,研究结果显示,Transition SST对附着流情况下翼型表面转捩区域的位置和压力分布的预测非常准确,但在分离流情况下收敛较慢,而且计算结果在翼型吸力面前缘存在非物理的压力尖峰；k-ω SST模型收敛性较好,在截面压力分布和整体载荷的预测中比另外两种模型更为准确；而单方程S-A模型在某些情况下不能捕捉到叶片附近的流动细节。同时,在流动分离的情况下,各个湍流模型的预测结果都与实验数据存在较大的偏差。对切变入流情况下NREL Phase Ⅵ风力机的非定常气动特性进行CFD数值模拟,并考虑了风切变指数的变化来代表不同的风场中的风速轮廓线。研究结果显示：在切变风速下,风轮叶片的整体载荷和截面气动力都呈现类似余弦曲线的波动变化；当风切变指数增大时,载荷的波动振幅增加非常明显；截面气动力系数的极值方位角一般滞后于风速极值位置,并且越靠近叶根位置滞后效应越明显,文中对这个现象进行了解释。由于对叶片实体建模的CFD方法在非定常模拟过程中对计算资源占用大、耗时长,后续的研究采用了体积力源项替代方法。该方法不需要对叶片建模和边界层求解,对湍流模型依赖性较弱,而且网格结构简单,节省计算资源。针对风力机的非定常动态入流现象,编写致动盘数值计算程序对NREL实验风力机叶片的快速变桨过程进行模拟。与实验数据的对比显示,计算结果能够较好的模拟载荷过冲并逐渐恢复平衡的过程。动态入流的特征时间与推力系数和展向位置有关,在下变桨过程中由于推力系数变大,尾流速度变小,达到平衡状态所需时间比上变桨过程要长。与对叶片实体建模的CFD方法相比,致动盘方法大大减少了模拟过程中的资源和时间消耗。致动线方法考虑了实际叶片数和叶片在风轮平面的旋转,可以处理更宽泛的非定常气动过程。本文编写了致动线方法的数值计算程序,并对数值模型中参数的取值进行了探讨。通过对均匀入流情况下NREL风洞实验风力机的流场和载荷的计算,结果显示该方法与对叶片实体建模的CFD方法有着近似的精度。然后,采用致动线程序对NREL实验风力机在切变入流下的气动特性进行研究,选取了轮毂高度风速为7m/s和10m/s两种情况。在风轮旋转过程中,两种切变风速下叶片整体载荷波动曲线的形状和相对振幅存在很大的差别。对载荷振幅的差别进行了定量的比较,并通过叶片截面攻角和升力系数随方位角的变化曲线对其原因进行了解释。同对叶片实体建模的CFD方法相比,致动线方法在对非定常工况进行模拟时更节省计算资源,并且能够给出详细的尾流流场。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

【参考文献】