【摘要】：深入系統(tǒng)地研究和掌握風(fēng)力機的能量吸收規(guī)律是保證風(fēng)力機的安全可靠性、提高風(fēng)力機性能的關(guān)鍵。目前,CFD方法以其突出的優(yōu)勢在風(fēng)力機空氣動力學(xué)問題研究和工程應(yīng)用的各個方面發(fā)揮著越來越重要的作用,保證風(fēng)力機數(shù)值模型的計算精度至關(guān)重要。由于運行工況下風(fēng)力機葉片轉(zhuǎn)捩類型多樣,對邊界層發(fā)展、流動分離及氣動力等影響顯著,因此轉(zhuǎn)捩研究及其模型的發(fā)展和應(yīng)用有助于進一步提高CFD計算精度,提升風(fēng)力機設(shè)計水平。而鑒于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對風(fēng)力機性能的劇烈影響,采用接近實際情況的風(fēng)輪乃至整機模型,系統(tǒng)分析這些因素的影響規(guī)律和影響機理,將為風(fēng)場選址、風(fēng)力機設(shè)計和選型乃至發(fā)電量出力預(yù)報等各方面提供詳細指導(dǎo)和參考。為此,本文采用CFD商用軟件Fine/TurboTM,系統(tǒng)研究了均勻風(fēng)速下葉片定常繞流場,切變風(fēng)速對風(fēng)輪氣動性能、以及均勻和切變風(fēng)速條件下整機塔影效應(yīng)對風(fēng)力機氣動性能的非定常影響。 均勻風(fēng)速下葉片定常繞流數(shù)值模擬的研究從計算域尺度、網(wǎng)格數(shù)目、湍流和轉(zhuǎn)捩模型以及風(fēng)力機機艙的影響幾個方面展開。首先以失速型風(fēng)力機NORDTANK 500/41為研究對象,在高風(fēng)速條件下,分析了計算域尺度和網(wǎng)格數(shù)目對葉片定常氣動載荷數(shù)值模擬結(jié)果的影響；進而采用全湍流Spalart-Allmaras (S-A)模型、k-ωSST模型以及在S-A模型中計及轉(zhuǎn)捩Abu-Ghannam Shaw (AGS)模型,對風(fēng)力機翼型FFA-W3-241和NORDTANK500/41風(fēng)力機葉片進行多個工況下的邊界層流態(tài)、性能參數(shù)和流動細節(jié)的詳細分析；最后以NREL Phase VI風(fēng)力機為研究對象,進行了機艙對葉片氣動性能影響的數(shù)值分析。以上研究的結(jié)果顯示：當(dāng)計算域外邊界距離旋轉(zhuǎn)中心10倍風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑以上時,基本可以滿足氣動計算結(jié)果與計算域尺度的無關(guān)性；當(dāng)定常計算的性能參數(shù)收斂曲線呈大幅振蕩的周期性收斂時,可靠的數(shù)值結(jié)果應(yīng)為振蕩周期內(nèi)的平均值而非某一個迭代步上的計算結(jié)果；全湍流S-A模型及其轉(zhuǎn)捩AGS模型可以較好的預(yù)計風(fēng)力機氣動性能及流場細節(jié)；機艙會影響葉根流動分離和旋渦結(jié)構(gòu),以及徑向流動沿葉片展向的發(fā)展,尤其是分離區(qū)的流態(tài),進而影響風(fēng)輪氣動性能和載荷預(yù)估值,在研究模型中加入機艙將提高數(shù)值模擬準確性。 在對切變風(fēng)速下風(fēng)輪的非定常氣動性能研究中,除了對NREL Phase VI風(fēng)力機進行三維非定常CFD模擬分析外,還提出了一種準三維非定常數(shù)值模型并進行了驗證,進而采用這種模型分析了不同風(fēng)速廓線指數(shù)和展向位置處風(fēng)切變的影響規(guī)律及影響機理,并與三維風(fēng)輪模型的非定常CFD模擬結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果顯示：準三維模型可以很好的反映截面氣動特征,適用于葉片邊界層無分離或分離較小的展向截面處風(fēng)切變下的氣動性能分析；切變風(fēng)速使得風(fēng)力機性能、載荷和流動參數(shù)波動振幅增大,隨方位角呈近似余弦函數(shù)型式的周期性波動,波動波幅隨風(fēng)速廓線指數(shù)和展向位置而增加,在整個風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)呈上下不對稱式分布,且幅值方位角普遍滯后風(fēng)速極值；與不同展向位置處線性增加的線速度引起的流動參數(shù)變化相比,風(fēng)切變影響相對較小,不改變載荷的展向分布規(guī)律,對葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響也不至于過大。 在對均勻和切變風(fēng)速條件下整機塔影效應(yīng)的非定常數(shù)值模擬中,以上風(fēng)向風(fēng)力機DF90為研究對象,詳細分析了包括葉片和風(fēng)輪總體性能參數(shù)、壓力分布、壁面極限流線圖和截面流線圖譜等流場細節(jié)。結(jié)果顯示,均勻風(fēng)速條件下,塔架的阻礙作用導(dǎo)致葉片載荷的劇烈變化,呈現(xiàn)塔前的突然增加,繼而快速下降,進而是相對緩慢的回復(fù)過程。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)作用使得塔前來流始終發(fā)生偏轉(zhuǎn),引起塔架兩側(cè)受力的不均勻以及塔后渦街3p脫落。塔影效應(yīng)下的周期性脈沖載荷容易引起葉片和塔架的動態(tài)響應(yīng),對機組的壽命和運行安全不利。切變風(fēng)速條件下,載荷波動幅值增加,相對均勻風(fēng)速條件下增長近倍,并呈上部較大、下部較小,沿展向增加的趨勢。同時,切變風(fēng)速波動緩和了塔架附近載荷的劇烈波動,而三葉片相位差的疊加作用使得切變前后風(fēng)輪載荷平均值及波動波幅變化不大。 綜上,本文所研究的幾何模型自葉片、風(fēng)輪到整機,物理現(xiàn)象自均勻風(fēng)速下的定常流動到切變風(fēng)速下的非定常流動,再到更為復(fù)雜的風(fēng)切變與塔影非線性綜合作用,層層遞進,逐漸接近真實物理模型。研究結(jié)果為采用CFD數(shù)值方法進行翼型和葉片氣動載荷分析與設(shè)計提供參考,為認識風(fēng)切變、塔影等復(fù)雜非定�？諝鈩恿W(xué)問題的影響提供依據(jù),為深入系統(tǒng)的掌握風(fēng)力機的能量吸收規(guī)律,保證風(fēng)力機的安全可靠性、提高風(fēng)力機性能提供支持。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)（北京）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK83

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本文編號：2635503