低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

摘要

风能是能够有效缓解能源紧缺和环境恶化问题的能源之一，风电是其大规模应用的形式，入流能够影响风电机组的设计和运行，而低空急流就是其中的一种。本文以一台1.5MW三叶片水平轴风力机为研究对象，通过数值模拟和理论分析相结合的方法探索了低空急流对水平轴风力机气动性能的影响： 首先，通过对多组风速下风力机功率和推力的计算，验证了计算的有效性，在此基础上，对比了均匀流、剪切流和低空急流下水平轴风力机气动性能的异同：低空急流下风轮的功率和推力、叶片表面压力、各截面法向力系数和切向力系数高于其他两种流动；叶片表面的失速区尤其是叶根附近的失速区相对其他两种流动更大，急流衰减内的截面分离涡现象更加明显。低空急流下水平截面轴向速度的扩散现象明显；竖直截面轮毂上方位置低速区明显。低空急流下叶片推力随方位角变化则呈现出一种双峰型变化；叶片偏航力矩和叶片倾覆力矩的值比风剪切大；截面法向力系数和切向力系数从叶根向叶尖逐渐减小，在低空急流下呈现出双峰型变化规律；风轮各气动力和气动力矩的变化比风剪切下的激烈，风轮推力和转矩波动更频繁。 其次，讨论了低空急流三大结构特征之一的急流强度对风力机气动性能的影响：随着急流强度的增加，风轮功率和推力、叶片各截面压力系数、单位展长上的法向力和切向力增加，叶片吸力面失速区扩大，在靠近叶根的部位，急流强度对压力系数的影响较为显著。轮毂上方叶片背后的低速区逐渐减小，且有向旋转轴压缩的倾向。叶片推力增加，叶片偏航力矩在方位角90o和270o附近差异较大，倾覆力矩在方位角为0o和180o时数值最大，但差异较小；各截面法向力系数和切向力系数在 90o和 270o附近有较大的差异，其他位置差异相对较小；风轮推力和转矩，风轮偏航力矩和风轮倾覆力矩随急流强度的增加数值增加，波动变得更为激烈。 然后，讨论了急流宽度的影响：随着急流宽度的增加，风轮功率和推力、叶片各截面压力系数、单位展长上的法向力和切向力增加，叶片吸力面失速区扩大，在靠近叶尖的部位，急流宽度对压力系数的影响更明显。叶片前缘前的高速区扩大，叶片尾缘后的低速区缩小；轮毂上方叶片后的低速区显著减小。叶片推力、叶片偏航力矩和叶片倾覆力矩在一个周期内波动的波形变宽，叶片推力、叶片倾覆力矩的数值提升；截面法向力系数和切向力系数在周期内的波动趋于平缓；风轮推力和风轮转矩整体提高，且波动更为平缓；风轮偏航力矩波动趋于平缓，波形变宽；风轮倾覆力矩的波动幅度增加，在急流宽度为11.25m时，波动增加。 最后，讨论了急流高度的影响：急流主区位于风轮范围内时，不同急流高度下风轮的功率和推力相差较小；随着急流高度的提升，轮毂中心上方叶片吸力面失速区扩大，高过最大急流高度的截面表面压力和法向力系数、切向力系数增加。急流高度提升，叶片前后轴向速度分布有所差异；急流高度超出轮毂中心后，轮毂中心上方叶片尾流中的低速区面积扩大明显。急流高度提升，叶片推力和叶片偏航力矩最大值所在的方位角偏移，倾覆力矩数值在 0o增加，180o减小；截面法向力系数和切向力系数的最大值在 90o和 270o附近移动；急流高度位于轮毂中心时，风轮推力和风轮转矩多出一组波动，且幅值不及其他状况，而急流高度高于和低于轮毂中心的状况波动错开；急流高度离轮毂中心越远，风轮偏航力矩的峰值越小，最大和最小急流高度下风轮偏航力矩多出部分波动；风轮倾覆力矩随急流高度的提升向负值方向移动。

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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

1.3课题研究内容

1.4课题创新点

第2章 理论基础与研究方法

2.1入流模型

2.2风力机气动载荷分析

2.3数值计算理论

2.4数值计算方法

2.5计算验证

2.6本章小结

第3章 典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

3.1典型低空急流特征的选定

3.2典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

3.3本章小结

第4章 急流强度对水平轴风力机气动性能的影响

4.1急流强度取值

4.2急流强度对水平轴风力机气动性能的影响

4.3本章小结

第5章 急流宽度对水平轴风力机气动性能的影响

5.1急流宽度取值

5.2急流宽度对水平轴风力机气动性能的影响

5.3本章小结

第6章 急流高度对水平轴风力机气动性能的影响

6.1急流高度取值

6.2急流高度对水平轴风力机气动性能的影响

6.3本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 文章所涉程序部分代码

B.1入流UDF代码

B.2截面气动力系数计算部分代码