風力機長期受冰雹暴雨以及沙塵暴等的沖蝕影響,導致風力機葉片表面受損,嚴重影響到風力機的安全穩(wěn)定運行及功率輸出。本文針對S809翼型,對前緣表面不同深度、不同范圍的磨損形貌特征進行研究,旨在得出不同磨損形貌特征對翼型及其周圍流場的影響規(guī)律,并在一定條件下模擬了沙塵環(huán)境下翼型的磨損過程。采用CFD方法計算并分析了不同磨損形貌特征S809翼型的空氣動力特性及流場結構,研究前緣磨損對翼型空氣動力特性的影響機理。(1)采用SST k-?湍流模型進行數值計算,研究不同前緣脫層深度對翼型流場和氣動性能的影響。結果表明,前緣脫層改變了翼型形狀,使得前緣流動變?yōu)榕_階流動,造成后緣分離區(qū)變大、分離點前移。隨脫層深度加深和攻角增大,吸力面前緣回流旋渦和后緣分離區(qū)首先由相互獨立狀態(tài)變?yōu)橥煌膺吔�、分離區(qū)中心相互獨立的狀態(tài),最后兩區(qū)域完全融合。同一攻角下,前緣脫層深度對前緣的壓力系數影響較大。攻角小于3°時,前緣脫層對翼型的升、阻力系數影響較小,攻角大于3°后,隨著脫層程度的加深,翼型的升力系數逐漸減小,阻力系數逐漸增大。相對光滑翼型來說,前緣脫層翼型升力損失率最高達55.08%,阻力增長率最大達150.48%。(2)建立了脫層深度為3mm、不同脫層范圍的壓力面脫層翼型和吸力面脫層翼型。脫層改變了翼型形狀,流過壓力面脫層翼型前緣時為前臺階流動;流過吸力面脫層翼型前緣時為后臺階流動。前臺階后形成的回流旋渦使尾緣流動提前分離,分離點前移。與光滑翼型相比,不管是壓力面脫層還是吸力面脫層都會引起翼型尾緣的流動提前分離,且攻角越大流動分離越嚴重。翼型發(fā)生脫層后,其升力系數和阻力系數在攻角小于8.2°的情況下與光滑翼型相差較小;攻角大于8.2°后,脫層翼型的升力系數較光滑翼型顯著減小,阻力系數顯著增大。前臺階對空氣流動的影響大于后臺階,因此兩種脫層模型中,壓力面脫層對翼型氣動性能影響較大。脫層造成翼型表面外形突變,導致脫層翼型的表面壓力出現了三種現象,一是在脫層位置處出現局部壓力突變;二是隨攻角增大,前緣至最大相對厚度處的壓力明顯降低,出現流動分離;三是翼型發(fā)生脫層后,前緣至最大相對厚度處的表面壓力均出現了波動。(3)通過氣固兩相模擬研究了沙粒對風力機翼型的磨損過程。選取位于PhaseⅥ風力機葉片半徑99.4%處的翼型為研究對象,攻角為12.29°。以光滑翼型的氣固兩相模擬為基礎,通過翼型表面磨損率的分布計算出磨損深度,對翼型進行改形,然后在同樣的條件下對改形翼型進行氣固兩相模擬,重復上述步驟模擬了翼型磨損過程。研究發(fā)現壓力面的磨損范圍為前緣至弦線的40%處,吸力面磨損范圍為弦線的10%內;前緣附近磨損位置的分布較為密集,磨損率較大,沿弦線方向磨損位置分布逐漸稀疏,磨損率較小;改形后翼型發(fā)生磨損的位置相對上一次磨損位置均向前緣遞進移動,并且隨改形次數增加磨損率顯著增大。翼型的磨損過程可概括為:光滑翼型發(fā)生磨損后,磨損位置以上一次磨損位置為基礎逐漸向前緣移動,形成分布密集的小坑,沙粒對小坑邊壁進行破壞,使得相鄰的小坑連通成為較大的坑,最后逐漸形成脫層。
【學位單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK83
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內外研究現狀
        1.2.1 風力機磨損研究現狀
        1.2.2 氣固兩相流研究現狀
    1.3 本文主要工作內容
第2章 基本理論
    2.1 翼型空氣動力學特性
        2.1.1 升力系數
        2.1.2 阻力系數
        2.1.3 升阻比
    2.2 葉素理論
    2.3 CFD相關理論
        2.3.1 控制方程
    2.4 湍流模型
        2.4.1 Spalart-Allmaras（S-A）模型
        2.4.2 k-ε模型
        2.4.3 SSTk-ω模型
    2.5 氣固兩相流理論
        2.5.1 氣固兩相數值模擬
        2.5.2 兩相流數值模擬常用數學模型
第3章 脫層深度對S809翼型氣動性能的影響
    3.1 脫層幾何模型的建立
    3.2 翼型網格劃分
    3.3 邊界條件設定
    3.4 計算結果分析
        3.4.1 脫層深度對翼型尾緣流場的影響
        3.4.2 脫層深度對翼型前緣流場的影響
        3.4.3 脫層深度對尾緣分離區(qū)的影響
        3.4.4 脫層深度對翼型氣動性能的影響
    3.5 本章小結
第4章 脫層范圍對翼型氣動性能的影響
    4.1 脫層幾何模型的建立
    4.2 脫層范圍對翼型流場的影響
    4.3 脫層范圍對翼型氣動性能的影響
        4.3.1 脫層范圍對翼型表面壓力的影響
        4.3.2 脫層范圍對翼型升阻力系數的影響
    4.4 本章小結
第5章 翼型磨損過程的模擬
    5.1 幾何模型及數學模型
        5.1.1 研究對象
        5.1.2 磨損模型的構建
        5.1.3 初始條件和邊界條件設置
    5.2 計算結果分析
    5.3 磨損翼型的流場分析
    5.4 本章小結
第6章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
附錄 A 攻讀學位期間所發(fā)表的學術論文目錄

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本文編號：2881541