【摘要】：風(fēng)力機工作在大氣地表邊界層環(huán)境中,流場環(huán)境常常具有三維、非定常等特性,這給水平軸風(fēng)力機的三維流場研究及相應(yīng)的氣動性能分析帶來很大的困難。除此之外,風(fēng)力機作為目前地球上尺寸最大的旋轉(zhuǎn)式葉輪機械(102m量級),它的氣動性能與葉片表面邊界層及脫落的尾渦結(jié)構(gòu)(10-3m量級)密不可分。從宏觀大尺度到微觀小尺度,跨越多個尺度的流場結(jié)構(gòu)給風(fēng)力機的三維流場研究及三維氣動分析提出了新的挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有的風(fēng)力機氣動計算模型按照復(fù)雜程度及計算精度的不同主要可以分為BEM模型、渦方法模型及CFD模型。不同的計算模型具有不同的計算特點和數(shù)值特征,因而具有不同的適用范圍。 為了提高氣動模型的三維計算能力,本文針對現(xiàn)有的BEM模型、渦方法模型及CFD模型,主要開展了以下幾方面的工作： 第一,在BEM模型方面：以三維失速延遲修正模型為研究核心,對Corten提出的無粘失速模型進行了系統(tǒng)地分析。得到了該模型的解析解,并基于該解析解建立了風(fēng)力機三維無粘失速延遲修正模型(ISDM)。與傳統(tǒng)的失速延遲分析不同,ISDM模型以流動分離區(qū)內(nèi)展向流動導(dǎo)致的葉片吸力面的負(fù)壓增加量為核心分析目標(biāo),通過簡化Navier-Stokes方程,并引入Kirchhoff-Helmholz尾緣分離預(yù)估模型,實現(xiàn)在離心力及科氏力影響下的葉片三維失速延遲效應(yīng)的評估。通過與NREL Phase VI風(fēng)力機及MEXICO風(fēng)力機的三維全尺寸風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)的對比,驗證了ISDM模型的準(zhǔn)確性。 第二,在渦方法模型方面：對具有不同渦量表征形式及復(fù)雜程度的升力線模型和三維面元模型進行了研究。對于升力線模型,粘性渦核模型及渦核有效半徑模型的引入,有效地解決了升力線模型的數(shù)值奇性問題并且提高了三維非定常自由尾渦的計算精度。其次,基于該模型,對后掠葉片的氣動性能及尾渦特征進行了計算和分析：在三維面元模型方面,以直接耦合模式將三維面元模型與二維邊界層計算模型相結(jié)合,構(gòu)建了粘性無粘耦合模型。該模型提高了附著流工況下計算的準(zhǔn)確性,但對于大攻角流動分離工況的計算難以收斂�？傮w上,渦模型依靠三維尾渦的誘導(dǎo)作用,在很大程度上提高了流場的三維計算能力。 第三,在CFD模型方面：以致動模型為研究目標(biāo),在現(xiàn)有的致動盤模型(ADM)、致動線模型(ALM)及致動面模型(ASM)基礎(chǔ)上,提出將粘性無粘耦合算法與致動模型相結(jié)合,建立了三維改進致動面模型(IASM)。IASM模型利用粘性無粘耦合模型的邊界元特性,最大程度上完善了現(xiàn)有致動模型中葉片三維幾何外形與流場之間的作用機制。通過對比二維、三維流場工況下IASM模型和致動線模型(ALM)的計算結(jié)果,驗證了IASM模型能夠提高致動模型對于近尾流區(qū)域計算的準(zhǔn)確性。IASM模型為大尺寸、復(fù)雜幾何外形風(fēng)力機的三維流場計算及氣動性能分析奠定了基礎(chǔ)。 第四,在實驗方面：以中科院工程熱物理所0.5m×0.5m小型閉口回流式風(fēng)洞為平臺,設(shè)計了后掠翼段實驗研究方案,圍繞展向三維流動影響下的翼型氣動性能的變化開展了實驗研究。為了提高實驗數(shù)據(jù)的可靠性,采用了大攻角流動分離條件下的數(shù)據(jù)修正模型。后掠翼段實驗結(jié)果表明：升力系數(shù)在小攻角線性段與有限直翼段的實驗結(jié)果十分接近,但在失速階段,后掠翼段升力系數(shù)的實驗結(jié)果出現(xiàn)大尺度的波動現(xiàn)象,且升力系數(shù)的平均值顯著地高于相應(yīng)的直翼段數(shù)據(jù)。利用后掠翼段實驗數(shù)據(jù)評估ISDM模型,結(jié)果顯示：ISDM模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)估附著流及初始尾緣分離工況下的升力系數(shù),但對于阻力系數(shù)的預(yù)估ISDM模型仍存在誤差。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM315

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2515014