發(fā)布時(shí)間：2020-07-30 06:25

【摘要】：風(fēng)能是一種環(huán)境友好型的可再生能源,當(dāng)前已成為世界各國(guó)研究和投資的熱點(diǎn)。其主要利用形式是風(fēng)能發(fā)電,風(fēng)力機(jī)作為發(fā)電設(shè)備的核心部件可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機(jī)一般工作在非穩(wěn)態(tài)的外部環(huán)境中,風(fēng)況條件是運(yùn)行環(huán)境的關(guān)鍵因素之一,嚴(yán)重影響著風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。其中包含的極端風(fēng)況是風(fēng)力機(jī)的臨界外部設(shè)計(jì)條件,對(duì)其生產(chǎn)安全和使用壽命起到了決定性作用。因此,本文基于標(biāo)準(zhǔn)極端風(fēng)況模型,以某三葉片1.5MW水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,建立三維計(jì)算模型并劃分網(wǎng)格,使用Fluent軟件作為求解器,通過求解N-S方程完成均勻來流和極端風(fēng)況下非定常數(shù)值模擬,并對(duì)比分析葉片氣動(dòng)載荷與表面流動(dòng)狀況,得到極端風(fēng)況對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。本文主要的研究工作和結(jié)果整理如下:選取極端連續(xù)陣風(fēng)、伴隨風(fēng)向變化的極端連續(xù)陣風(fēng)、1年一遇和50年一遇極端運(yùn)行陣風(fēng)三種極端陣風(fēng)風(fēng)況,輪轂參考風(fēng)速取10.4m/s編寫UDF程序,經(jīng)過編譯后設(shè)置為各極端工況的入口邊界條件,并獲得相應(yīng)運(yùn)行周期內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。為了對(duì)比起見,對(duì)入口速度為10.4m/s的均勻來流條件也進(jìn)行數(shù)值模擬,除入口速度外其它計(jì)算設(shè)置與極端陣風(fēng)風(fēng)況相同。均勻來流時(shí)各時(shí)刻風(fēng)輪外特性和流場(chǎng)的變化很小,模擬周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩基本維持在270kN?m,葉片各截面壓差從葉根向葉尖增大,且不隨時(shí)間改變。來流攻角始終不變,葉片表面流動(dòng)基本為附著流。截面法向力、切向力系數(shù)從葉根向葉尖減小,氣動(dòng)力系數(shù)-時(shí)間曲線近似為直線。在極端連續(xù)陣風(fēng)運(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)速不斷增大,低風(fēng)速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)與風(fēng)速隨時(shí)間的變化規(guī)律相似,葉片吸力面大部分區(qū)域?yàn)楦街?各截面壓差和來流攻角較小;高風(fēng)速階段內(nèi)轉(zhuǎn)矩曲線與時(shí)間曲線存在差異,葉片失速使吸力面出現(xiàn)大范圍流動(dòng)分離,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩呈波動(dòng)性地緩慢上升。風(fēng)速持續(xù)增大,翼型截面前緣壓差和來流攻角也時(shí)刻變大,流動(dòng)分離點(diǎn)逐漸向前緣靠近,紊流區(qū)不斷擴(kuò)展,并發(fā)生沿展向的流動(dòng),產(chǎn)生的分離渦使截面法向力、切向力系數(shù)隨風(fēng)速增大而無規(guī)律振蕩減小。在伴隨風(fēng)向改變的極端連續(xù)陣風(fēng)運(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)速先增大后減小,風(fēng)速增大階段內(nèi),轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)以及流場(chǎng)狀態(tài)均與極端連續(xù)陣風(fēng)工況的低風(fēng)速階段類似,在接近最大風(fēng)速時(shí),同樣由于葉片失速使轉(zhuǎn)矩和截面氣動(dòng)力系數(shù)開始減小;最大風(fēng)速時(shí)刻,葉片吸力面出現(xiàn)小范圍的流動(dòng)分離,截面壓差與來流攻角達(dá)到最大;隨后風(fēng)速下降階段內(nèi),葉片吸力面的分離區(qū)域逐漸減小,但轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)曲線無法迅速恢復(fù)成與風(fēng)速曲線相同的變化規(guī)律。在極端運(yùn)行陣風(fēng)運(yùn)行周期內(nèi)風(fēng)速波動(dòng)變化,各時(shí)刻風(fēng)輪外特性和流場(chǎng)的變化規(guī)律同上,轉(zhuǎn)矩和截面法向力、切向力系數(shù)的最大值較風(fēng)速最大值的出現(xiàn)有所提前。經(jīng)過最大風(fēng)速時(shí)刻后,在來流減速段內(nèi)高風(fēng)速下產(chǎn)生的分離渦逐漸減弱并被來流帶走,流動(dòng)重新恢復(fù)為附著流,各系數(shù)也逐漸恢復(fù),紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化過程中流動(dòng)的不穩(wěn)定性較強(qiáng),使法向力、切向力系數(shù)的減小過程出現(xiàn)了不規(guī)則的波動(dòng)變化。50年一遇極端運(yùn)行陣風(fēng)風(fēng)速變化范圍更大,運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng),氣動(dòng)載荷和流動(dòng)狀態(tài)變化也比1年一遇極端運(yùn)行陣風(fēng)條件下更明顯。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK83

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本文編號(hào)：2775155