根據(jù)IEC標準與GL準則定義極端風速模型對某1.5 MW的水平軸風力機進行數(shù)值模擬計算,研究極端風況下風輪轉(zhuǎn)矩、空氣動力系數(shù)等的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn),風力機在非穩(wěn)態(tài)工況下運行時,高風速時風輪的轉(zhuǎn)矩與低風速時風輪的轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律相比有明顯差異,葉根到葉尖產(chǎn)生不同程度的失速.在風速增大和減小的不同過程中,非穩(wěn)態(tài)工況下風輪轉(zhuǎn)矩、升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨攻角的變化有顯著地差別,葉輪的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的最大值均高于穩(wěn)態(tài)下的系數(shù). 

【文章來源】：蘭州理工大學學報. 2019,45(03)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

圖１極端運行陣風模型

擇與網(wǎng)格劃分采用某１．５ＭＷ風力機進行數(shù)值模擬計算，風輪直徑８３ｍ，額定風速１０．４ｍ／ｓ，額定轉(zhuǎn)速１７．２ｒ／ｍｉｎ，輪轂高度６５ｍ，葉片截面翼型為ＮＨ０２ＸＸ．選擇風輪的１／３區(qū)域作為計算域并在對稱邊界設(shè)置周期性邊界條件．內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，外域選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在Ｆｌｕｅｎｔ中縫合處理以使ｉｎｔｅｒｆａｃｅ界面處的數(shù)據(jù)進行正常的傳輸，網(wǎng)格數(shù)總計９００萬．采用３２核處理器與２５６Ｇ內(nèi)存的服務(wù)器進行數(shù)值計算．三維計算區(qū)域如圖２所示．圖１極端運行陣風模型Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｏｆｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｇｕｓｔ圖２三維計算區(qū)域模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆ３－Ｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ１．２．２邊界條件設(shè)置在進行數(shù)值模擬計算時，湍流模型采用ＳＳＴｋ－ω模型，進口為速度入口，出口為壓力出口，葉片和輪轂表面均為黏性無滑移邊界，計算域繞ｙ軸旋轉(zhuǎn)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為恒值１７．２ｒ／ｍｉｎ．動量和湍動能均選擇二階迎風格式進行離散，壓力－速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．假設(shè)在標準大氣壓下進行，空氣為理想氣體，忽略重力影響．所選擇的邊界條件均經(jīng)過驗證，符合本次數(shù)值計算的要求．對于非穩(wěn)態(tài)情況，選取葉輪每轉(zhuǎn)３°為一個時間步長，根據(jù)葉輪的額定轉(zhuǎn)速得到時間步長Δｔ＝０．０２９０６９７７ｓ．選取低湍流強度值，即Ｉ＝０．１６．通過ＵＤＦ給定極端運行陣風工況作為入口邊界條件，進行非定常計算．對于穩(wěn)態(tài)情況，選取極端運行陣風的不同時刻對應(yīng)的風速作為入口邊界條件，其他邊界條件不變，進行定常計算．２模擬結(jié)果與分析風力機中葉

ｌ與Ｃｄ的定義式為Ｃｌ＝２ＦｌρＳｖ２（３）Ｃｄ＝２ＦｄρＳｖ２（４）式中：ｖ為風速；ρ為空氣密度；Ｓ為風輪掃掠面積．阻力作用在風輪上會產(chǎn)生軸向轉(zhuǎn)矩Ｍ，根據(jù)葉素理論，轉(zhuǎn)矩為Ｍ＝∫ｒ０１２ρｗ２ＮｃＣｙｒｄｒ（５）Ｃｙ＝Ｃｌｓｉｎφ－Ｃｄｃｏｓφ（６）式中：ρ為空氣密度；ｗ為相對速度；Ｎ為葉片數(shù)；ｃ為弦長；φ為相對風向角；ｒ為風輪半徑．２．１風輪轉(zhuǎn)矩分析圖３ａ給出了風輪在極端運行陣風下風輪的轉(zhuǎn)矩、風速隨時間變化的曲線．從圖中可以看出，當時圖３極端運行陣風轉(zhuǎn)矩變化的曲線Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｏｒｑｕｅｖｓｔｉｍｅｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒ－ａｔｉｎｇｇｕｓｔ間在ａ點之前和ｂ點之后這兩個時間段時，不同時刻的風速對應(yīng)的風輪轉(zhuǎn)矩的變化趨勢接近．而在ａ～ｂ時間段，不同時刻的風速對應(yīng)的風輪轉(zhuǎn)矩的變化趨勢有較大差別．通過觀察圖３ｂ，可以更加直觀地反映轉(zhuǎn)矩隨風速變化的規(guī)律．ｃ點對應(yīng)的風速為８．０４６３ｍ／ｓ，ｄ點對應(yīng)的風速為１１．６５６８ｍ／ｓ，ｅ點對應(yīng)的風速為１５．８３４６ｍ／ｓ．當風速在ｃ、ｄ之間時，無論在風速增大還是減小過程，轉(zhuǎn)矩Ｍ在四個風速變化階段差異很小；當風速在ｄ、ｅ之間時，對比風速增大和減小兩個過程的轉(zhuǎn)矩，發(fā)現(xiàn)兩個階段風輪轉(zhuǎn)矩差值較大．這是由于風力機動態(tài)失速和風輪的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致的．２．２葉片截面流動特性及壓力當風速ｖ＝１５．８６７６ｍ／ｓ，為解釋上述失速情況，選取葉片展向的

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]極端風況下水平軸風力機的非定常氣動特性研究[D]. 劉恒.蘭州理工大學 2016



本文編號：3434999