水平軸風(fēng)力機(jī)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及其流場(chǎng)特性研究.pdf

1、風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的方法主要有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、渦流理論和CFD方法，但是對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)，其模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)受到尺寸效應(yīng)和相似性的影響較大，同時(shí)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不能很好地模擬風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中復(fù)雜多變的來(lái)流條件，這必然引起風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的外場(chǎng)真實(shí)參數(shù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間較大的差異；渦流理論顯現(xiàn)出了精度較高、耗時(shí)較短的優(yōu)勢(shì)，但由于模型的簡(jiǎn)化，難以準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際工況下葉片表面的壓力分布及尾流發(fā)展的細(xì)觀特性；CFD方法受到湍流模式、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和耗時(shí)長(zhǎng)等方面

2、因素的制約較大。本文針對(duì)上述存在的問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展風(fēng)力機(jī)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合渦流理論方法和CFD數(shù)值模擬方法開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性和流場(chǎng)特性研究。
　　提出了一種風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法，并搭建了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)葉片表面壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并針對(duì)一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于平均壓力，從葉尖到葉根，翼型表面的壓差先增大后逐漸減??；對(duì)于瞬時(shí)壓力，未出現(xiàn)分離流動(dòng)或尾緣附近出現(xiàn)較小范圍分離流動(dòng)的葉片部分，葉片表面的壓力比較穩(wěn)

3、定；而出現(xiàn)較強(qiáng)分離流動(dòng)的葉片部分，葉片吸力面壓力呈現(xiàn)出周期性的變化，振蕩周期反映了分離渦的脫落周期，且在分離渦脫落前后很短的時(shí)間內(nèi)，壓力急劇升高后急劇減小，出現(xiàn)一個(gè)壓力峰值。開(kāi)展了風(fēng)力機(jī)的尾流速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并針對(duì)一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)工況下，尾流測(cè)量斷面上各點(diǎn)的軸向速度的衰減比較大，衰減比在31.55％至69.79%之間，鉛垂方向速度變化相對(duì)較小，水平方向速度變化范圍相對(duì)較大，風(fēng)向的變化對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)的水平速度分量影響

4、較大。
　　通過(guò)對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)葉片七個(gè)測(cè)壓斷面翼型進(jìn)行二維數(shù)值模擬，并將七個(gè)斷面翼型的表面壓力分布曲線的二維、三維計(jì)算結(jié)果與外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)，結(jié)合七個(gè)翼型的升力系數(shù)（三維、二維結(jié)果）和流線圖，研究了三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響，研究表明，七個(gè)翼型表面壓力的三維模擬結(jié)果比二維結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果；三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起了失速延遲，推遲了翼型表面流動(dòng)分離的發(fā)生，并減小了流動(dòng)分離區(qū)域，導(dǎo)致葉片各翼型升力系數(shù)的三維

5、計(jì)算結(jié)果高于二維計(jì)算值，尤其對(duì)于葉根部分的7＃翼型，升力系數(shù)的三維結(jié)果比二維結(jié)果增大了82%；三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉片氣動(dòng)性能及流動(dòng)特性的影響主要表現(xiàn)在發(fā)生大攻角分離流動(dòng)的葉片部分，當(dāng)葉片表面為附著流動(dòng)或后緣附近小范圍分離流動(dòng)時(shí)，三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響并不明顯。
　　以DU95-W-180風(fēng)力機(jī)專用翼型為研究對(duì)象，研究了粗糙度對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響很大，隨著粗糙度增大，升力系數(shù)可以減小到光滑翼

6、型時(shí)的40%以下，同時(shí)，阻力系數(shù)可增大近10倍；通過(guò)適當(dāng)增加翼型壓力面后緣附近的粗糙度可提高翼型的升力系數(shù)，但并不能有效地提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的出力。對(duì)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨葉片表面粗糙度的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩隨葉片表面粗糙度的增加先增大然后減小，在粗糙度為0.05 mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)葉片表面粗糙度在0 mm到0.1mm之間時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩變化很小，增大量均在光滑表面時(shí)的2.085%以內(nèi)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩對(duì)葉片表面粗

7、糙度不敏感；當(dāng)葉片表面粗糙度大于0.1 mm時(shí)，粗糙度對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的影響較大，粗糙度為1 mm時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩減小了光滑葉片時(shí)的近30%。由此可見(jiàn)，只要葉片表面潔凈，則粗糙度對(duì)外場(chǎng)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)的影響很小，開(kāi)展風(fēng)輪的數(shù)值模擬時(shí)，可按光滑葉片表面來(lái)處理。
　　采用一種非線性尾流結(jié)構(gòu)的勢(shì)流解法，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)機(jī)組風(fēng)輪的尾流氣動(dòng)特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于風(fēng)力機(jī)葉片處誘導(dǎo)速度，速度環(huán)量沿葉片展向呈現(xiàn)出非線性的分布規(guī)律。非線性尾流模型計(jì)算得到的軸向誘導(dǎo)速度的

8、絕對(duì)值普遍大于線性尾流模型的結(jié)果，軸向誘導(dǎo)速度的絕對(duì)值沿葉片展向先逐漸增大，在葉尖附近突然減小。周向誘導(dǎo)速度相對(duì)較小，隨風(fēng)輪的葉尖速比呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，葉尖部分先急劇增大后又急劇減??；葉根和葉尖附近的徑向誘導(dǎo)速度沿葉片展向變化的速度梯度較大。對(duì)于尾流區(qū)誘導(dǎo)速度，各垂直于軸線的斷面上的誘導(dǎo)速度隨方位角和相對(duì)半徑變化；周向誘導(dǎo)速度相對(duì)較小，并沿徑向逐漸減??；不同斷面的徑向誘導(dǎo)速度沿徑向呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，各斷面同一半徑上的徑向誘導(dǎo)速度

9、隨方位角（0o-180o范圍內(nèi)）的增大逐漸減?。惠S向誘導(dǎo)速度隨斷面位置沿軸線變化呈現(xiàn)出不同的分布規(guī)律，距風(fēng)輪平面2R距離之前各斷面上，軸向誘導(dǎo)速度的絕對(duì)值沿徑向先增大、后減小，2R距離之后各斷面上，軸向誘導(dǎo)速度的絕對(duì)值沿徑向逐漸減小，各斷面同一半徑上的軸向誘導(dǎo)速度絕對(duì)值的最大值出現(xiàn)在尾流區(qū)正對(duì)葉片的位置。
　　通過(guò)求解 RANS方程，對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)組風(fēng)輪在尾流實(shí)驗(yàn)和額定兩種工況下開(kāi)展了數(shù)值模擬，通過(guò)葉片表面及其斷面翼型的流線圖，以及通過(guò)

10、風(fēng)輪軸的截面和垂直于風(fēng)輪軸截面的壓力分布云圖、速度分布云圖、速度矢量圖、湍流動(dòng)能分布云圖以及湍流耗散率分布云圖，研究了風(fēng)輪的流場(chǎng)特性，分析了尾渦的產(chǎn)生和耗散的過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)輪輪轂對(duì)其附近的尾流場(chǎng)存在一個(gè)加速作用，尤其對(duì)靠近風(fēng)輪平面的風(fēng)輪軸線附近的流場(chǎng)影響較大；各截面的湍流動(dòng)能和湍流耗散率呈現(xiàn)出相同的分布規(guī)律，即，湍流動(dòng)能大的位置湍流耗散率大，湍流動(dòng)能小的位置湍流耗散率小，說(shuō)明湍流動(dòng)能大的區(qū)域聚集了較多的小尺度渦；風(fēng)輪尾流區(qū)各流動(dòng)參數(shù)