水平轴风力机叶片失速问题研究

摘要

水平轴风力机是最有效的风能转换装置,在其开发和研制过程当中,最关键的核心问题就是设计高效、高可靠性的风轮。随着风力机的尺寸逐渐增大,需要更可靠的气动载荷预测方法,来确保更加优化的设计。气动载荷的可靠预测必须依赖准确的工程计算方法、气动力模型和修正模型。这些方法及模型的准确性又取决于对静态失速(失速延迟)、动态失速及动态载荷等关键气动问题所涉及的复杂流动机理的正确认识和深刻理解。本文通过数值计算和理论分析,研究了风力机静态失速和动态失速等气动问题,提出了一种基于代理的递归框架的非定常气动力降阶模型,采用了合成射流的方式对风力机翼型进行了主动流动控制的研究。研究以具有丰富详实的实验数据的美国国家可再生能源实验室的联合实验风轮和经典翼型为应用对象。研究成果有助于建立较为准确的载荷预测模型,提高风力机的设计水平,为保障风轮的可靠运行和提高风力机整体性能提供有力的支持。本研究主要内容包括：
　　⑴采用Menter的带转捩修正的K-εSST湍流模型,成功地对不同来流速度下的典型的NREL Phase VI风轮的内部流场进行了模拟,总体上和实验值吻合较好,只是在较高的风速下,流动分离严重,存在一定的差异,验证了计算的准确性。通过叶片不同叶高截面处的压力系数分布以及叶片吸力面的极限流线分布详细分析了叶轮流场特性。
　　⑵基于风轮的全尺度数值模拟结果,分析了失速延迟的内在流动机制,建立了三维流场和工程模型间的联系。推导获得了风轮不同叶高位置的轴向诱导因子,确定了各位置的有效攻角,提取了包含三维旋转效应及叶根叶尖效应的截面翼型气动数据。并与Du-Selig失速延迟模型的结果以及Tangler方法得到的结果进行了深入的比较和分析,探索了实际叶片不同叶高位置的失速特征。
　　⑶通过数值方法分析了典型深度失速工况的流场特征和动态失速涡的发展、传播和最后脱落的过程,加深对动态失速发生机理的理解。基于Menter的转捩修正的k-εSST湍流模型及网格变形的动网格技术对绕其1/4弦长点作正弦波周期性振荡的风力机翼型进行了CFD模拟,并与风洞测试的非定常实验结果进行了全面的对比,表明两者基本吻合,验证了动态失速数值模拟结果的准确性。通过流线分布和压力系数分布,揭示了气动力迟滞回线的变化特征。
　　⑷基于所获得包括未失速、失速初生到轻度失速以及最后的深度失速多个工况下的非定常流场数据,研究了不同折合频率、平均攻角以及振荡幅角对翼型动态失速的影响。折合频率对动态失速有着重要的影响,随着折合频率的增大,升力的峰值出现在更高的攻角处,迟滞效应变得更为显著。在某些工况中,导致负的气动阻尼和迟滞现象加剧。并且基于升阻力和转矩系数,分析了动态失速对实际运行的风力机载荷的影响。
　　⑸基于以上的翼型非定常数据,利用SBRF降阶建模方法,有效地预测了动态失速条件下翼型的非定常升力,阻力和转矩。研究证明,对气动响应求解要求逼近精度较高的诸多气动弹性以及被动/主动最优化设计研究中,SBRF降阶模型是一种非常理想的既保留极高近似精度又具有较高计算效率的非定常气动模型。
　　⑹采用合成射流,对静态及振荡的风力机翼型绕流流场进行了流动控制效果的数值研究。研究发现:对于静态翼型,在小攻角流动附着时,对翼型的性能则有负面的影响,在预失速阶段,合成射流对翼型性能有显著的提升效果,在过失速区域则影响微弱。对动态振荡翼型,合成射流在翼型振荡周期很大范围内能够有效抑制动态失速条件下的气动力迟滞效应,但是对于深度失速时有限的大攻角范围内,仍然存在强烈的涡脱落及气动力振荡。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 风力机空气动力学基本理论

2.1 翼型气动特性

2.2 边界层理论

2.3 翼型静态失速

2.4 翼型动态失速

2.5 风力机的动量叶素理论

2.6 风力机的涡流理论

2.7 本章小结

第三章 风力机静态失速研究

3.1 数值模拟方法

3.2 NREL Phase VI 风轮及S809翼型

3.3计算网格及边界条件

3.4计算结果分析和讨论

3.5 本章小结

第四章 风力机动态失速特性问题研究

4.1 数值模拟工况和主要参数

4.2 动态网格及计算条件

4.3 结果分析和讨论

4.4 本章小结

第五章 代理模型在风力机翼型动态失速问题中的应用

5.1代理降阶模型

5.2 用SBRF进行时域预测

5.3 结果和讨论

5.4 本章小结

6.1 合成射流数值模拟主要参数

6.2 网格及计算条件

6.3 射流参数影响分析

6.4 合成射流对动态失速的控制

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 研究工作总结

7.2 本文主要创新

7.3 今后工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果