水平轴风力机尾流结构及空气动力学性能的研究

摘要

叶素动量理论比较简单，且计算速度比较快，在风力机的工业生产设计中得到了广泛应用，但大量实验表明叶素动量理论不能精确计算风轮叶片上的气动载荷，尤其是失速和偏航状态。这种方法虽然在经典叶素动量理论的基础上进行了很多经验修正，但没有从流动的物理机理出发，没有考虑尾流结构及三维流动的影响。随着风力机尺寸的增大，该模型精度越来越不能满足设计要求，所以目前对风力机的研究倾向于重视基础理论研究，以弄清楚风力机流场流动的基本机理。本文研究的目标就是为了了解风力机尾流的特征以及其对风力机气动载荷和性能的影响。研究的目的是为风力机设计和分析提供基于流动物理机理的更精确的方法。本文主要研究内容和创新点如下：
　　 1、对风力机经典气动模型和研究方法进行了回顾，总结了各种方法的特点和适用范围，为开展研究工作奠定了理论基础。
　　 2、基于预定尾迹方法对风力机尾流结构进行了分析，推导了尾流对叶片上控制点的诱导速度求解表达式，建立了诱导速度及尾流结构的求解计算模型。该计算模型首先对理想风轮尾迹不扩散的简单情况进行了研究，然后引入扩散系数对尾流扩张的情况进行研究。计算结果表明该模型可以用来求解风力机风轮的尾流结构和气动力性能，可用于改进风力机气动分析和工程设计，但由于预定尾迹是基于试验结果的，所以其应用也有一定的局限性。
　　 3、针对风力机非定常气动性能，基于自由尾迹法和升力面法进一步研究涡尾流结构，建立了基于自由涡尾迹和升力面法的二阶计算模型，并进行了验证。自由尾迹法包括风轮流场的Lagrangian描述，考虑了粘性的影响，并将尾迹几何结构的解与风轮气动模型耦合，用于预测上风向风力机在非偏航和偏航状态下的气动性能和载荷，计算结果表明自由尾迹法与非定常翼型模型和叶片模型进行耦合可以满足稳定和非稳定入流条件下三维非定常流场叶片的气动计算。
　　 4、利用升力面—自由尾迹模型和叶素动量理论模型对NREL PhaseVI风力机的性能和载荷分别进行了计算，并对其结果进行了对比分析，对偏航状态下上风向风轮下游的偏斜尾迹结构，在一定偏航角和叶尖速比工况下进行了预测，计算结果与试验结果吻合较好，结果表明自由尾迹和升力面模型比叶素动量理论模型可以更准确预测瞬态尾迹气动力、非定常载荷和气动性能。
　　 5、根据美国NREL PhaseVI风轮数据，设计加工了模型风力机，并搭建了风力机尾迹流场测试试验台，结合CFD模拟计算，对风力机尾迹流场进行了不同叶尖速比工况下的三维PIV测试分析。得到了风力机涡尾迹发生、发展、湮灭的规律，得出了风力机风轮流场的速度分布，研究表明风轮尾迹区存在明显的三维流动，尾迹在向风轮下游发展传播过程中，其运动轨迹是与风轮方向相反的螺旋线。轴向速度的变化可以反映出尾迹的膨胀和消散过程，随着尾迹向下游传播，轴向速度亏损不断恢复，尾迹宽度扩大到一定程度则不再扩大，逐渐与主流掺混融合，尾迹的涡量值也随着螺旋线向下游延伸而减小。

目录

文摘

英文文摘

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声明

第1章绪论

1.1概述

1.2现代风力机简介

1.3影响风力机性能的因素

1.3.1风速范围

1.3.2风力机轮扫面积和塔架高度

1.3.3控制方式

1.3.4风力机的典型结构形式

1.3.5风力机气动工况

1.4本文研究目的

1.5本文研究目标

1.6本文的组织结构

第2章风力机经典气动模型

2.1概述

2.2基本定义和概念

2.2.1叶尖速比和实度

2.2.2漩涡

2.2.3环量

2.2.4赫尔姆霍茨理论(Helmholtz’theorem)

2.3经典气动模型

2.3.1一维动量理论和Betz极限理论

2.3.2考虑尾迹旋转时的理想水平轴风力机性能

2.3.3叶素模型

2.3.4叶片外型设计

2.3.5叶素动量模型

2.3.6性能分析

2.4动量理论修正

2.5 CFD分析方法

2.6涡方法

2.7预定涡尾迹法

2.8自由涡尾迹法

2.9小结

第3章基于预定尾迹模型的尾流结构研究

3.1概述

3.2涡理论

3.2.1毕奥-萨伐尔定律

3.2.2叶尖涡和叶根涡的模型

3.2.3涡面模型

3.2.4远场尾迹横断面与风轮旋转平面上诱导速度的关系

3.2.5远场尾迹环量分布

3.2.6沿叶片环量分布

3.2.7诱导速度求解

3.3数值模拟

3.3.1坐标系及坐标变换

3.3.2附着涡诱导速度求解

3.3.3叶尖涡和叶根涡尾迹诱导速度求解

3.3.4涡面对控制点的诱导速度求解

3.3.5考虑扩散时的涡面尾迹对控制点的诱导速度求解

3.4小结

第4章基于自由尾迹模型的水平轴风力机气动模型研究

4.1概述

4.2下游尾迹控制方程

4.2.1非线性诱导速度

4.2.2粘性涡核模型

4.2.3涡线伸展效应

4.2.4控制方程左边的时间推进解

4.2.5叶片模型

4.2.6叶片模型与尾迹算法耦合

4.3叶片断面模型

4.3.1非线性静态翼型模型

4.3.2非定常附着流动

4.3.3非定常分离流

4.3.4涡升力

4.3.5塔影效应模型

4.4小结

第5章自由涡尾迹算法与叶素动量理论对比分析

5.1概述

5.2叶素动量理论(BEM)

5.3非偏航入流

5.4偏航状态

5.5小结

第6章 水平轴风力机速度场的PIV试验研究

6.1概述

6.2实验装置及模型风力机风轮参数

6.3 PIV测量系统

6.3.1 PIV测量原理

6.3.2 PIV测量系统的主要组成

6.3.3影响试验的因素

6.3.4三维PIV测量系统

6.4 PIV测量方法及过程

6.5 CFD数值模拟

6.5.1计算模型和方法

6.5.2湍流模型与计算方法

6.6实验结果及分析

6.7小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

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