風力機失速特性研究.pdf

1、本論文是在國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目(2014CB046201)支持下完成的。
　　風輪的空氣動力學特性是風力機工程研究的核心內容之一。氣動性能良好的風力機不但可以獲得較高的功率系數(shù)，取得良好的經(jīng)濟效益，而且在安全可靠性及減少環(huán)境噪聲污染等方面都具有良好的性能。特別是隨著兆瓦級風力機的普及，其風輪直徑越來越大，需要研究更為可靠的氣動載荷預估方法和計算模型，對風力機葉片進行準確的結構設計和性能計算。而這些預估方法和計算模型的

2、準確性主要依賴于對風力機失速特性的研究。
　　本文主要以國家973計劃項目風力機外場實驗機組和風力機常用翼型為主要研究對象，通過理論分析、數(shù)值計算及外場實驗相結合的方法，分別對風力機常用翼型及葉片的靜態(tài)失速、動態(tài)失速及三維旋轉效應等展開研究。其中，靜態(tài)失速的數(shù)值研究主要參閱美國國家可再生能源實驗室已公開的二維風洞實驗數(shù)據(jù)。動態(tài)失速特性的數(shù)值研究主要參閱美國俄亥俄州立大學對S809振蕩翼型風洞實驗的結果。外場實驗主要通過測試風力機葉

3、片在不同工況下的表面壓力分布，了解旋轉過程對葉片表面壓力分布的影響，并將實驗測試結果和二維、三維數(shù)值模擬的結果進行對比分析，探索高精度的數(shù)值計算方法，進一步了解三維旋轉效應對葉片各端面翼型失速渦的影響機理。研究成果有助于建立更為準確的風力機載荷預估模型，為大型風力機的結構設計和理論研究提供可靠的技術參考。
　　本文研究的主要內容及成果包括：
　　1）與二維風洞實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了帶轉捩修正的SST k-ω湍流模型在翼型氣

4、動性能研究方面的準確性，并借助于此計算模型，對NACA44XX系列翼型進行數(shù)值計算，重點研究了雷諾數(shù)、翼型厚度和表面粗糙度等因素對其失速特性的影響,認為翼型相對厚度的大小及位置對翼型失速特性有較大影響，0.5mm是影響翼型表面氣流分離的關鍵粗糙度。對NACA4412翼型及其尾緣改型的Gurney翼型、鈍尾緣翼型進行數(shù)值研究后認為，2％弦長的鈍尾緣改型翼型具有良好的失速特性，屬于低噪音翼型，但力矩特性呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。
　　2）借助廣義

5、代數(shù)模型和非結構動態(tài)網(wǎng)格變形技術，對S809翼型做俯仰運動時的失速特性進行數(shù)值計算，研究了初始攻角和折算頻率等因子不同時氣動力遲滯曲線的變化規(guī)律，并將俯仰運動狀態(tài)下的升、阻力系數(shù)遲滯曲線與靜態(tài)翼型的升阻力系數(shù)曲線對比后發(fā)現(xiàn)，在小攻角范圍內翼型靜態(tài)和動態(tài)的氣動特性差別不大，到失速區(qū)時二者有明顯的區(qū)別。對一個振蕩周期翼型流場及尾渦的變化過程進行分析后認為，動態(tài)失速現(xiàn)象的產(chǎn)生與翼型表面的非定常分離和渦流的干擾有密切關系。
　　3)利用滑

6、移網(wǎng)格法對垂直軸風力機的氣動特性進行數(shù)值研究，通過研究翼型種類、翼型厚度及翼型實度對垂直軸風力機力矩特性的影響后認為，在垂直軸風力機葉片的旋轉過程中，大部分區(qū)域均處于大攻角失速分離的狀態(tài)；實度的大小會直接影響葉輪內部流場的分布和旋轉區(qū)域風速的降幅；隨翼型厚度的增大，力矩曲線逐漸向小尖速比方向漂移。
　　4）借助國家973項目風力機外場實驗平臺，開展了風力機葉片測壓實驗。通過比較在停車和旋轉等不同工況下，風力機葉片表面的壓力分布特征

7、，發(fā)現(xiàn)在不同工況下葉片表面壓力分布存在較大差異，在旋轉工況下葉片表面壓力分布產(chǎn)生較大波動，特別是在葉片根部，壓力分布較為紊亂。說明旋轉狀態(tài)下風力機葉片表面存在強烈的氣流分離。
　　5）基于LES算法，對實驗機組進行全尺寸三維數(shù)值模擬，并將計算結果與外場實驗、二維數(shù)值計算結果對比分析后認為，三維數(shù)值模型充分考慮了旋轉效應和c/r等多個因素對風力機失速特性的影響，能較好地模擬風力機葉片旋轉過程的失速特性，相對于二維葉素-動量理論，其計