時間步進自由尾跡方法建模及水平軸風力機氣動性能分析.pdf

1、在風力機的設計和校核過程中，氣動性能預測是非常重要的環(huán)節(jié)。設計出風力機的槳葉氣動外形后，計算其氣動性能，可以作為對設計結果的評價；反之，氣動性能計算結果可以作為反饋，為槳葉氣動外形的修正提供依據。但是風力機運行在復雜的自然環(huán)境中，風剪切、來流風速及風向的改變以及塔影效應等使得準確預估風輪的氣動載荷成為非常困難的工作。因此，在現(xiàn)階段的風力機設計中，主要采用安全因子來補償未知載荷，使得風力發(fā)電的投資增加，競爭力下降。
　　 風力機在

2、旋轉過程中會從槳葉后緣拖出尾跡，形成強烈的卷起渦和內部渦面，這些尾渦旋繞在槳葉附近，會對轉子的氣動性能產生重要的影響。尾渦的強度由葉素的幾何參數、運動參數及槳葉氣動載荷決定；反過來，渦的誘導效應又會改變轉子的速度場，進而影響渦的強度。因此，槳葉和尾跡之間存在相互干擾，對尾渦的計算是風力機氣動載荷分析的關鍵，也是開展風力機空氣動力學研究的基礎，具有重要的科學意義和工程實際意義。本文基于時間步進自由尾跡方法對風力機的尾跡及氣動性能進行了研究

3、，主要內容包括：
　　 ①針對目前風力機氣動載荷預測中常用的動量-葉素理論(BEM)不能計入偏航入流影響的缺陷，采用渦柱理論替代動量理論對其進行修正。應用修正的理論對TUDelft模型風力機的氣動性能分析表明：即使風力機處于來流風速較小的穩(wěn)定偏航狀態(tài)，BEM理論的計算誤差仍然較大，不適合于風力機氣動載荷分析，因此需要建立新的性能預測方法。
　　 ②建立了風力機轉子時間步進自由尾跡分析模型。對轉子后拖出的尾跡采用自由尾跡方

4、法進行分析，并給出了能處理槳尖渦湍流效應的Vatistas渦模型對Biot-Savart定律進行修正，以消除可能出現(xiàn)的數值奇點；然后對時間步進差分算法展開研究，由待定系數法構造了一種新的3步3階預估校正差分格式，以提高尾跡求解的精度。對風力機槳葉渦系采用Weissinger-L升力面模型進行描述，并推導了槳葉附著環(huán)量的求解方程及槳尖渦強度、釋放位置的確定方法。最后建立了完整的風力機轉子自由尾跡分析模型，該模型既能用于風力機定常氣動性能分

5、析，也能用于復雜來流時的非定常氣動性能分析。
　　 ③風力機槳葉產生動態(tài)失速時，采用二維靜態(tài)翼型數據進行載荷預測會低估風輪的動力產生，從而對風輪的結構設計產生嚴重的影響，因此在設計、校核過程中必須認真考慮動態(tài)失速的作用。本文將原本用于直升機旋翼分析的動態(tài)失速Beddoes-Leishman半經驗模型進行相應的修改后，應用于S809翼型的正弦俯仰振蕩計算，并與實驗數據進行比較，結果表明：在平均攻角較小時計算值與實驗數據吻合較好，隨

6、著平均攻角的增大，計算誤差增大，但總體趨勢是正確的，從而驗證了模型的有效性。然后將失速模型耦合入②所建立的時間步進自由尾跡模型，以更準確地預測槳葉的氣動載荷。
　　 ④對數值離散算法的精度和穩(wěn)定性進行分析。采用根軌跡法對幾種差分格式的線性穩(wěn)定性進行分析，結果表明：Euler顯式是不穩(wěn)定的，PCC格式是中性穩(wěn)定的，而PC2B及本文推導的PC3B格式均滿足穩(wěn)定性條件。由修正方程的推導對離散差分格式的精度及非線性穩(wěn)定性的分析表明：本文

7、推導的3階PC3B格式能夠減小尾跡時間步進計算時的誤差累積，從而提高尾跡求解精度，且方程中包含與速度梯度無關的耗散項，離散格式是強穩(wěn)定，具有明顯的優(yōu)勢。
　　 ⑤應用時間步進自由尾跡分析模型對TUDelft風力機和NREL PhaseⅥ風力機在軸流和偏航時的尾跡形狀和氣動性能進行計算，并與文獻實驗數據進行比較，結果表明：當風力機處于來流風速較小的軸流工況時，尾跡渦不能被輸運到下游較遠的地方，使得渦-渦干擾較大，槳尖渦的位置及氣動

8、載荷的計算誤差較大，隨著風速的增大，渦的誘導影響減小，計算值與實驗值吻合非常好；穩(wěn)定偏航時，本文模型能夠在不添加任何修正模型的情況下較好地預測偏航引起的尾跡結構的非對稱性及周期載荷，從而驗證了模型的有效性。
　　 ⑥對風力機處于變槳、穩(wěn)態(tài)風剪切、極端動態(tài)來流等非定常風況時的氣動性能計算表明：復雜來流時，轉子尾跡會出現(xiàn)瞬時畸變，同時槳葉上的渦在脫落并向下游傳輸的過程中，需要一定的時間才能使尾跡從一個流態(tài)變成另一個流態(tài)，導致誘導速度