偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

摘要

随着全球科技及经济文明的快速发展，全球化石能源储备即将消耗殆尽，可再生能源的合理利用已成为当今热点话题，风力发电是对可再生能源利用最为充分、合理的渠道之一。自然条件中，风力机无法实时追踪时刻变化的风向，在运行过程中时常处于偏航状态；同时，低空急流对风力发电机组的影响已引起人们的关注。本文对一台1.5MW三叶片水平轴风力机进行数值模拟研究，探究了偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响，研究工作主要包括以下几个方面： （1）分别对风切变与低空急流两种入流条件下的风力机进行仿真计算，对比了不同工况对水平轴风力机气动性能的影响。结果表明，在相同偏航角下，低空急流增强了叶片流动分离，增大了风轮与叶片的推力，增加了转矩波动次数和风轮输出功率，叶片推力随方位角变化呈双峰曲线分布，风轮、叶片所受气动力与力矩均大于切变入流。 （2）随偏航角增大，两种入流条件下风轮所受气动力均下降，风轮功率衰减符合cos3γ法则；低空急流下叶片流动分离现象增强，叶片推力随方位角变化曲线的对称性消失，叶片偏航力矩在90°方位角处峰值减小，在270°方位角处峰值增大；风轮后尾流沿横向偏移现象愈发明显，同时尾流膨胀效应有所减小并且尾流中心出现渐缩现象，对下游影响区域减小。 （3）偏航角为15°时，探究了急流强度变化对风轮气动性能的影响。结果表明，随着急流强度的增强，风轮功率及推力上升，风轮与叶片所受气动力与气动力矩均上升，叶片表面流动分离增强。叶片前缘高速区沿弦向增长，风轮后尾流亏损有明显改善。 （4）偏航角为15°时，研究了急流宽度变化对风轮气动性能的影响。研究表明，急流宽度变化对风轮气动性能影响较大。随急流宽度增大，风轮推力与功率均增大，风轮与叶片所受气动力与气动力矩随方位角变化的曲线峰值逐渐减小，急流宽度为11.25m时存在异常波动。同时，叶片流动分离增强，风轮处轴向速度有所升高，叶片前缘高速区沿展向扩展。 （5）对比偏航条件下不同急流高度对风轮气动性能的影响。结果表明，急流高度变化对风轮推力及功率无明显影响。急流高度为风轮轮毂高度时，风轮与叶片气动力与气动力矩峰值最大，且波动次数增加。随急流高度上升，叶片流动分离增强，叶片推力、转矩以及偏航力矩峰值位置向外侧移动。急流高度升高对风轮后近尾流区速度亏损有所改善，但随着尾流向下游发展，尾流亏损随急流高度的升高而增大。

目录

声明

插图索引

附表索引

物理量名称及符号表

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1低空急流研究概况

1.2.2低空急流对风力机影响的研究

1.2.3偏航对于风力机影响的研究

1.3主要研究内容

1.4本课题创新点

第2章 水平轴风力机偏航气动理论与研究方法

2.1风力机偏航空气动力学基础

2.1.1风力机偏航动量理论

2.1.2风力机偏航叶素理论

2.1.3风力机偏航动量叶素定理

2.1.4风力机偏航叶片力与叶素受力分析

2.1.5风力机偏航时的倾覆力矩与偏航力矩

2.2数值计算理论

2.2.1控制方程

2.2.2 SSTk-ω湍流模型

2.2.3入流模型

2.3数值计算方法

2.3.1研究对象

2.3.2计算域离散

2.3.3边界条件与求解器设置

2.4计算验证

2.4.1网格无关性验证

2.4.2空计算域风速水平均匀性验证

2.4.3风力机计算模型验证

第3章 不同偏航角下典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

3.1典型低空急流模型参数与偏航角的选取

3.2不同偏航角下典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

3.2.1典型低空急流对风轮气动性能的影响

3.2.2典型低空急流对叶片气动性能的影响

3.2.3流场速度分布

3.2.4本章小结

第4章 偏航工况下低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响

4.1偏航工况下低空急流强度变化对水平轴风力机气动性能的影响

4.1.1低空急流模型强度参数的选取

4.1.2风轮气动特性

4.1.3叶片气动特性

4.1.4流场速度分布

4.1.5小结

4.2偏航工况下急流宽度变化对水平轴风力机气动性能的影响

4.2.1低空急流模型宽度参数的选取

4.2.2风轮气动特性

4.2.3叶片气动特性

4.2.4流场速度分布

4.2.5小结

4.3偏航工况下低空急流高度变化对水平轴风力机气动性能的影响

4.3.1低空急流模型高度参数的选取

4.3.2风轮气动特性

4.3.3叶片气动特性

4.3.4流场速度分布

4.3.5小结

结论与展望

1.结论

2.展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表学术论文目录

附录B文章所涉及部分程序代码

B.1 风切变入流UDF代码

B.2 低空急流入流UDF代码