發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 22:09

【摘要】：風(fēng)力發(fā)電由于其發(fā)電成本低和對(duì)環(huán)境影響小是一種最有前途的清潔能源。海上風(fēng)資源好、電容量大、效率高,已成為全球風(fēng)電發(fā)展的最前沿方向。與此同時(shí),惡劣的海洋環(huán)境制約著海上風(fēng)電的發(fā)展,強(qiáng)烈的日光照射、高濃度的鹽霧環(huán)境、高濕度、水分侵蝕等因素都會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)及葉片表面造成損害,影響機(jī)組安全,增加運(yùn)行維護(hù)成本。海洋環(huán)境濕度較大,我國(guó)渤海灣長(zhǎng)年濕度在50%—95%之間,翼型及葉片周?chē)鷫毫�、溫度的變化在一定條件下會(huì)引起水汽發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。凝結(jié)不僅會(huì)改變翼型表面附近的壓力、溫度等流動(dòng)參數(shù),甚至還會(huì)導(dǎo)致翼型升力、阻力特性發(fā)生改變,影響其氣動(dòng)性能。此外,葉片表面潮濕容易造成粘污,寒冷條件下極易葉片覆冰,葉片粘污和覆冰都會(huì)影響風(fēng)力機(jī)葉片的功率輸出。因此,研究高濕度條件下風(fēng)力機(jī)翼型及葉片的氣動(dòng)性能對(duì)海上風(fēng)力機(jī)翼型優(yōu)化、提高發(fā)電效率具有重要意義,同時(shí)將為葉片預(yù)防粘污及結(jié)冰提供一定的理論基礎(chǔ)。數(shù)值研究濕空氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)性能的影響,從濕空氣的存在狀態(tài)出發(fā),考慮濕空氣的物理特性及凝結(jié)過(guò)程,基于兩種方法三種模型,由淺到深,逐步研究濕空氣對(duì)翼型及葉片氣動(dòng)性能的影響。首先將濕空氣考慮為水蒸汽和干空氣的混合氣體,采用單相方法,基于組分輸運(yùn)模型,以NACA63418翼型為例,數(shù)值研究不同濕度空氣流過(guò)翼型的氣動(dòng)特性;其次在輸運(yùn)模型基礎(chǔ)上,考慮凝結(jié)發(fā)生,通過(guò)Fluent編寫(xiě)表面凝結(jié)自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)壁面凝結(jié)邊界條件,利用凝結(jié)模型研究凝結(jié)發(fā)生情況下的翼型氣動(dòng)性能。計(jì)算結(jié)果顯示:不考慮凝結(jié)時(shí),濕度變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響主要是濕空氣密度變化引起的,升阻力系數(shù)隨濕度增大而減小;當(dāng)發(fā)生凝結(jié)時(shí),升力系數(shù)增加。攻角不同,翼型表面凝結(jié)分布不同,翼型前緣點(diǎn)附近凝結(jié)量最大;相同攻角時(shí),凝結(jié)質(zhì)量流率隨濕度升高而增大,溫度越高,凝結(jié)量越大。然后基于組分模型和凝結(jié)模型,以1.5MW風(fēng)力機(jī)葉片為模型,研究了濕空氣流過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片的氣動(dòng)性能,詳細(xì)分析了濕空氣流過(guò)葉片后的功率變化、葉片表面的凝結(jié)水分布。結(jié)果顯示:組分輸運(yùn)模型下,濕度越大,葉片輸出功率越小,說(shuō)明濕氣對(duì)葉片出力有負(fù)面影響;考慮凝結(jié)后,濕度越高,含水量越大,計(jì)算功率越小;對(duì)比凝結(jié)前后葉片功率大小,發(fā)現(xiàn)所有計(jì)算工況,考慮凝結(jié)后的葉片功率較未考慮凝結(jié)時(shí)的葉片功率要高,原因是凝結(jié)發(fā)生后,空氣中的水蒸汽在葉片表面有凝結(jié),空氣中的水含量降低,引起壓力變化,繼而影響葉片出力;通過(guò)分析葉片表面凝結(jié)質(zhì)量流率和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,發(fā)現(xiàn)葉片表面壓力側(cè),從葉根到葉尖,凝結(jié)質(zhì)量流率逐漸增大,葉尖位置截面翼型靠近前緣位置處最大,該區(qū)域是最容易沾污的區(qū)域。大霧天氣是高濕度空氣最常見(jiàn)的一種,霧是由浮游在空中的小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物,因此,可將霧氣類(lèi)濕空氣考慮為一定尺寸的小液滴和干空氣的混合氣體,采用歐拉兩相方法,基于歐拉壁面膜模型計(jì)算空氣中水滴在翼型和葉片表面的分布情況以及霧滴對(duì)翼型和葉片氣動(dòng)性能的影響。歐拉法是將流場(chǎng)中的液滴看作與氣流相互滲透的擬流體來(lái)求解每一相的守恒方程,流體作為一個(gè)連續(xù)相求解時(shí)均采用N-S方程,雨滴作為離散相。計(jì)算結(jié)果顯示:計(jì)算風(fēng)速條件下,隨濕度增大,風(fēng)力機(jī)輸出功率減小,高溫度條件下功率降低幅度大,說(shuō)明濕度越大(含水量高),對(duì)功率影響越大;兩種計(jì)算風(fēng)速條件下,隨濕度增大,推力整體呈減小趨勢(shì),考慮葉片表面水滴集聚后,推力跟功率變化趨勢(shì)一樣,都是減小,進(jìn)一步說(shuō)明水分對(duì)氣動(dòng)性能有影響;通過(guò)濕度對(duì)流場(chǎng)、速度、壓力影響分析發(fā)現(xiàn),整體上,90%濕度下各截面的壓力低于50%濕度下各截面的壓力,沿葉片展向,越靠近葉尖位置,兩濕度條件的壓力差越大,含水量均布的前提下,葉片前緣正對(duì)位置水滴碰撞的頻率高。濕度變化主要影響葉片表面的摩擦系數(shù),對(duì)壓力系數(shù)的影響較小。通過(guò)翼型表面水體積分?jǐn)?shù)及形成的水膜分析,發(fā)現(xiàn)水滴主要在翼型前緣正對(duì)來(lái)流區(qū)域匯集,以及翼型尾緣會(huì)有少量積聚,因此,據(jù)此推斷,在一定濕空氣條件下,該區(qū)域最容易被昆蟲(chóng)或灰塵污染,是寒冷天氣下最容易結(jié)冰的區(qū)域,同時(shí)也是最容易磨損的區(qū)域,針對(duì)室外環(huán)境惡劣條件下的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行葉片,葉尖部位前緣及尾緣區(qū)是重點(diǎn)防護(hù)的區(qū)域。綜上所述,本文研究濕空氣對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型及葉片氣動(dòng)性能影響,從翼型到葉片,從組分模型到凝結(jié)模型,再到歐拉壁面膜模型,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,層層遞進(jìn),逐漸接近真實(shí)物理模型。研究結(jié)果為采用數(shù)值方法研究濕空氣導(dǎo)致的翼型和葉片的污染、結(jié)冰問(wèn)題提供參考,為理論研究翼型和葉片表面凝結(jié)提供借鑒,通過(guò)分析翼型和葉片表面水汽凝結(jié)及表面水膜匯集分布,為開(kāi)發(fā)防水、防覆冰葉片涂層等有針對(duì)性的防護(hù)措施提供理論支持。
【圖文】：

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)統(tǒng)計(jì)［１］，２０１５年全球風(fēng)電年新增總裝機(jī)容量６３ＧＷ，逡逑較２０１４年５１ＧＷ容量上升２２．６％。全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到４３２．Ｓ８３ＧＷ，同逡逑比增長(zhǎng)１７％。圖１－１、１－２分別為２０００－２０１５年全球風(fēng)電新增與累計(jì)裝機(jī)容量。逡逑截至２０１４年底，全球陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到３５０．５ＧＷ。ＧＷＥＣ預(yù)測(cè)⑴，逡逑到２０２０年風(fēng)電年新增市場(chǎng)將達(dá)到１００ＧＷ，，累計(jì)市場(chǎng)達(dá)到８７９ＧＷ；到２０３０年逡逑風(fēng)電年新X検諧〈锏劍保矗擔(dān)牽�，缞J剖諧〈錚插澹保保埃牽祝壞劍玻埃擔(dān)澳輳晷略鍪諧″義洗锏劍玻埃福牽祝奐剖諧∪萘看錚靛澹福埃叮牽�。海蓱蚓�?duì)发稻~際醮磣歐緄緙際蹂義狹煊虻淖罡咚劍悄殼叭瀾綬緄縲幸檔鬧氐惴⒄狗較潁筆俏夜鉸孕藻義閑灤瞬檔鬧匾諶蕁Ｎ夜Ｉ戲繾試創(chuàng)⒘糠岣唬乇鶚墻７繾試淳弒負(fù)芎緬義系目⑻跫�。辶x希д鈥w邐心敬染

本文編號(hào)：2612505