水平軸風力機氣動性能預測及優(yōu)化設計.pdf

1、葉片是水平軸風力機的核心部件,可將風能轉(zhuǎn)化為機械能。葉片的氣動性能不僅直接決定風力機的能量轉(zhuǎn)換效率,還影響風力機及其部件的運行可靠性。風力機運行在自然環(huán)境中,由大氣湍流、風剪切以及陣風等引起的流動不穩(wěn)定性,同時由葉片、塔架等部件的氣動-結(jié)構(gòu)耦合問題進一步增加了葉片流動的復雜性。建立具有明確物理意義,準確高效的風力機定常/非定常氣動性能的預測方法,不但可為風力機葉片設計和控制策略確定提供基礎數(shù)據(jù),也是具有重要學術(shù)價值的研究工作。
　

2、　本文基于升力面渦方法,建立水平軸風力機葉片定常與非定常工況下氣動性能的預測模型,在此基礎上構(gòu)建可計及彎掠三維形狀的風力機葉片氣動優(yōu)化設計平臺,以及獨立變槳控制策略的氣動分析方法。具體研究內(nèi)容如下:
　　1.建立空間迭代自由尾跡數(shù)值計算方法,結(jié)合升力面法編制能預測風力機在定常和準定常工況下氣動性能的計算程序。數(shù)值研究了風力機在正對來流及不同偏航角工況下的尾跡空間結(jié)構(gòu),成功地捕捉到葉尖渦發(fā)展的基本特征,準確預測風力機在正對來流時葉尖

3、渦的膨脹過程及葉尖渦在不同偏航角下的偏轉(zhuǎn)角變化趨勢。在低風速及較小偏航角工況下,氣動性能預測結(jié)果與實驗值吻合較好。
　　2.在采用空間迭代自由尾跡的升力面模型準確預測出風力機在定常及準定常工況下的氣動性能的基礎上,詳細分析了具有彎掠三維形狀的葉片對風力機氣動性能的影響。彎掠葉片通過改變?nèi)~尖渦和葉片主體的相對位置影響葉片上的徑向環(huán)量分布,進而改變風力機氣動性能。
　　3.建立時間步進自由尾跡數(shù)值計算方法,改進了計算的穩(wěn)定性,結(jié)

4、合升力面法,建立能預測更為復雜非定常工況的風力機氣動性能計算程序。分別預測了槳距角突變,塔架影響,風剪切等工況下的風力機的氣動性能,并研究了獨立變槳時的氣動特性。
　　4.利用時間步進自由尾跡的升力面模型,在槳距角突變過程中準確獲得具有下沖與過沖特征的風力機非定常氣動性能。發(fā)現(xiàn)脫落渦對風輪上的氣動性能影響的時間尺度較短,其數(shù)量級為 c/Ωr級別,近場尾跡和葉尖渦達到新的平衡狀態(tài)所需時間尺度較大,其數(shù)量級為。
　　5.通過引入

5、塔架對上游和下游流場影響的模型,采用時間步進法預測了塔架對上風向和下風向風力機的氣動性能的影響。葉片經(jīng)過塔影區(qū)域時輸出功率和載荷有所下降,并在相位角上存在滯后效應,塔影對下風向風力機的性能影響波動幅值更大,風力機在偏航工況下運行時,風力機受塔架影響更為明顯。
　　6.采用時間步進法,研究了風剪切對風力機風輪的氣動性能的影響,類似偏航,在周向呈現(xiàn)周期性變化的趨勢。并對獨立變槳技術(shù)在風剪切工況下應用的氣動特性進行了分析,認為該技術(shù)能有