基于相似理論水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能研究.pdf

1、作為綠色環(huán)?？稍偕茉矗L(fēng)能的發(fā)展受到全世界的矚目。風(fēng)力機(jī)是利用風(fēng)能資源的主要機(jī)械之一，并逐步朝著大型化趨勢發(fā)展，但是由于環(huán)境因素、測量誤差、計(jì)算資源等因素的制約，對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的預(yù)估往往經(jīng)驗(yàn)不足，造成較大誤差。
　　由于針對(duì)風(fēng)力機(jī)性能預(yù)測的風(fēng)洞試驗(yàn)和外場試驗(yàn)經(jīng)常遇到各種環(huán)境干擾因素，加之雷諾數(shù)效應(yīng)的無法避免，影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了解決上述問題，本文以流體力學(xué)中相似理論為基礎(chǔ)，采用不同的近似模型方法，針對(duì)兩葉片風(fēng)力機(jī)

2、進(jìn)行三維定常流場計(jì)算。通過對(duì)比近似模型計(jì)算結(jié)果，從葉片表面流動(dòng)特性和力特性進(jìn)行分析，得到最適合風(fēng)力機(jī)相似計(jì)算的近似模型方法。在此近似模型法的基礎(chǔ)上，計(jì)算了最佳縮比率的適用范圍。進(jìn)而通過三葉片的大型風(fēng)力機(jī)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明各個(gè)工況下的模型風(fēng)力機(jī)葉片表面流動(dòng)特性及載荷特性與原型保持相似。整個(gè)研究過程加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的理解，且將相似理論與空氣動(dòng)力學(xué)相互柔和，形成一套較完整的風(fēng)力機(jī)相似理論數(shù)值計(jì)算方法，總結(jié)如下:
　　(1

3、)通過兩葉片風(fēng)力機(jī)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知僅滿足幾何相似和葉尖速比相等并不充分，尤其是在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中發(fā)生強(qiáng)烈流動(dòng)分離時(shí)，計(jì)算結(jié)果與原型結(jié)果相差較大。
　　采用弗勞德模型法和雷諾模型法對(duì)兩葉片風(fēng)力機(jī)幾何縮比模型進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷諾模型法在滿足雷諾相似準(zhǔn)則和相關(guān)參數(shù)比例關(guān)系條件下，可有效的實(shí)現(xiàn)縮比模型和原型的葉片表面流動(dòng)情況相似，并且換算得到的葉片表面壓力系數(shù)、軸向力和扭矩的相對(duì)誤差在2％以內(nèi)，因此確定雷諾模型法為最適合風(fēng)力

4、機(jī)幾何縮比模型研究的方案。在此研究結(jié)果基礎(chǔ)之上，模型的幾何縮比率范圍控制在2.027％到10.135％之間，保證了模型與原型結(jié)果相對(duì)誤差在5％之內(nèi)。
　　(2)將上述較完整的汁算模型應(yīng)用于三葉片大型風(fēng)力機(jī)，通過多個(gè)相似工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明運(yùn)用雷諾模型法的模型與原型的風(fēng)輪流動(dòng)特性和力特性計(jì)算結(jié)果相似，平均相對(duì)誤差保持在1.5％左右。說明針對(duì)大型三葉片風(fēng)力機(jī)采用雷諾模型法同樣可以在縮比條件下有效且準(zhǔn)確的反應(yīng)其流動(dòng)特性，對(duì)大

5、型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)測有較高的可靠性。
　　(3)根據(jù)兩葉片模型計(jì)算結(jié)果，研究了雷諾模型法對(duì)雷諾數(shù)、湍流粘度以及葉片法向力系數(shù)和切向力系數(shù)的影響，得到以下結(jié)論:
　　雷諾模型法通過相似換算，有效地將小尺寸風(fēng)力機(jī)模型的雷諾數(shù)提升到與原型相同的數(shù)量級(jí)上，即保證了幾何、運(yùn)動(dòng)相似關(guān)系，同時(shí)也滿足雷諾相似準(zhǔn)則。通過對(duì)比湍流粘度，發(fā)現(xiàn)采用雷諾模型法的模型，在渦流較強(qiáng)烈的區(qū)域，具有較高的湍流粘度;在流動(dòng)較為平緩的情況下，其湍流粘度比在未改變