水平軸風力機尾流結(jié)構(gòu)及空氣動力學性能的研究.pdf

1、葉素動量理論比較簡單，且計算速度比較快，在風力機的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，但大量實驗表明葉素動量理論不能精確計算風輪葉片上的氣動載荷，尤其是失速和偏航狀態(tài)。這種方法雖然在經(jīng)典葉素動量理論的基礎(chǔ)上進行了很多經(jīng)驗修正，但沒有從流動的物理機理出發(fā)，沒有考慮尾流結(jié)構(gòu)及三維流動的影響。隨著風力機尺寸的增大，該模型精度越來越不能滿足設(shè)計要求，所以目前對風力機的研究傾向于重視基礎(chǔ)理論研究，以弄清楚風力機流場流動的基本機理。本文研究的目標就是為了

2、了解風力機尾流的特征以及其對風力機氣動載荷和性能的影響。研究的目的是為風力機設(shè)計和分析提供基于流動物理機理的更精確的方法。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　 1、對風力機經(jīng)典氣動模型和研究方法進行了回顧，總結(jié)了各種方法的特點和適用范圍，為開展研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 2、基于預(yù)定尾跡方法對風力機尾流結(jié)構(gòu)進行了分析，推導了尾流對葉片上控制點的誘導速度求解表達式，建立了誘導速度及尾流結(jié)構(gòu)的求解計算模型。該計算模型首先

3、對理想風輪尾跡不擴散的簡單情況進行了研究，然后引入擴散系數(shù)對尾流擴張的情況進行研究。計算結(jié)果表明該模型可以用來求解風力機風輪的尾流結(jié)構(gòu)和氣動力性能，可用于改進風力機氣動分析和工程設(shè)計，但由于預(yù)定尾跡是基于試驗結(jié)果的，所以其應(yīng)用也有一定的局限性。
　　 3、針對風力機非定常氣動性能，基于自由尾跡法和升力面法進一步研究渦尾流結(jié)構(gòu)，建立了基于自由渦尾跡和升力面法的二階計算模型，并進行了驗證。自由尾跡法包括風輪流場的Lagrangian

4、描述，考慮了粘性的影響，并將尾跡幾何結(jié)構(gòu)的解與風輪氣動模型耦合，用于預(yù)測上風向風力機在非偏航和偏航狀態(tài)下的氣動性能和載荷，計算結(jié)果表明自由尾跡法與非定常翼型模型和葉片模型進行耦合可以滿足穩(wěn)定和非穩(wěn)定入流條件下三維非定常流場葉片的氣動計算。
　　 4、利用升力面—自由尾跡模型和葉素動量理論模型對NREL PhaseVI風力機的性能和載荷分別進行了計算，并對其結(jié)果進行了對比分析，對偏航狀態(tài)下上風向風輪下游的偏斜尾跡結(jié)構(gòu)，在一定偏航角

5、和葉尖速比工況下進行了預(yù)測，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，結(jié)果表明自由尾跡和升力面模型比葉素動量理論模型可以更準確預(yù)測瞬態(tài)尾跡氣動力、非定常載荷和氣動性能。
　　 5、根據(jù)美國NREL PhaseVI風輪數(shù)據(jù)，設(shè)計加工了模型風力機，并搭建了風力機尾跡流場測試試驗臺，結(jié)合CFD模擬計算，對風力機尾跡流場進行了不同葉尖速比工況下的三維PIV測試分析。得到了風力機渦尾跡發(fā)生、發(fā)展、湮滅的規(guī)律，得出了風力機風輪流場的速度分布，研究表明風