风力涡轮失速状态下气动性能的非定常计算研究

摘要

风能是目前全球发展最快的可再生能源之一，已经逐步进入到电力能源供应的前几位，并且每年都以迅猛的速度扩展自己的市场。但目前我国对于风力发电设备的自主研发方面还十分薄弱，所以深入研究风力机的基本特性就显得尤为重要。
　　 本文主要是对大风速下失速的风轮叶片进行模拟和性能预测。自然界中的风并不是处于恒定不变的，对风力涡轮进行定常计算不能很好的模拟大风速下的风力涡轮的状态，所以非定计算对风力涡轮在大风速下的气动性能的预测更具有实际意义。
　　 研究和掌握风力涡轮在失速状态下气动性能的规律是提高风力机的可靠性和风力机性能的关键。本文采用CFD商业软件对风力涡轮在失速条件下进行了非定常计算，对风力涡轮的气动性能进行了预测。主要对大风速下处于失速状态的风力涡轮叶片进行非定常计算，来分析预测不同风速下风力涡轮的气动特性。
　　 本文首先对风力涡轮的研究背景、发展历史和研究意义进行了简单的介绍和分析。其次，简单介绍了风力涡轮计算的一些基础理论。对动量-叶素理、湍流模型等进行了介绍，也对非定常模型和失速模型进行了简单的介绍。
　　 然后，以NREL PhaseⅢ叶片为研究对象进行三维建模，并进行网格划分，使用k-ωSST湍流模型进行数值模拟计算。计算过程中，先通过定常模拟计算来判断风力涡轮叶片发生失速的风速。将计算结果同实验数据相比较，误差在允许的范围内，所以可以判断该计算流场模型可靠性比较高，计算结果可信度比较高。在定常计算中发现在9m/s的风速下，风轮涡轮叶片功率会出现周期的波动，这表明已经出现了失速，所以在该风速下开始转为非定常计算。然后，在各个不同大风速下对叶片进行气动性能的分析，并对叶片表面流线和不同展向截面流场进行分析。
　　 本文研究的风力涡轮叶片的气动性能符合大风速下失速状态的叶片的物理特性，为CFD数值计算方法进行的叶片非定常计算和叶片设计提供一定的参考。对该风力涡轮失速状态下的气动性能进行的预测，为更深一步的风力涡轮设计和研发提供支持。