濃縮風(fēng)能裝置結(jié)構(gòu)及選材優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、濃縮風(fēng)能裝置是濃縮風(fēng)能型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，其結(jié)構(gòu)會影響風(fēng)輪安裝截面處的風(fēng)速及擴(kuò)散管內(nèi)部的流動分離，直接決定了機(jī)組的輸出功率，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化;濃縮風(fēng)能裝置的選材會影響其成本及安全性，需要對其選材進(jìn)行優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材優(yōu)化之前，需要對計(jì)算模擬方法進(jìn)行可靠性分析。主要完成了以下研究工作:
　　(1)研究了濃縮風(fēng)能裝置建模仿真的可靠性
　　基于計(jì)算流體力學(xué)中的控制方程、湍流的基本方程、湍流求解方法、湍流粘性模型進(jìn)行建

2、模仿真，給出濃縮風(fēng)能裝置車載試驗(yàn)各風(fēng)速測試點(diǎn)的設(shè)置，對濃縮風(fēng)能裝置進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析，得出在收縮管和中央圓筒部分，采用質(zhì)量流量入口比采用速度入口的計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，在后續(xù)仿真計(jì)算中均采用質(zhì)量流量入口邊界條件;對濃縮風(fēng)能裝置所處流場進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，相關(guān)中心設(shè)置為Fine，相關(guān)性設(shè)置為70時(shí)，流體計(jì)算結(jié)果在定性預(yù)測方面是可靠的，可以用來對濃縮風(fēng)能裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;且風(fēng)輪安裝截面處計(jì)算結(jié)構(gòu)多數(shù)相對誤差在10％以內(nèi)，基本可以滿足定量預(yù)測要求

3、。在網(wǎng)格無關(guān)性測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行雷諾數(shù)無關(guān)性測試，結(jié)果表明，采用不同雷諾數(shù)進(jìn)行的仿真計(jì)算，其結(jié)果之間平均相對誤差差別較小;計(jì)算時(shí)采用的雷諾數(shù)與車載試驗(yàn)中的雷諾數(shù)稍有差別，并不會在研究的流場中導(dǎo)致較大的誤差，且采用經(jīng)計(jì)算得出的雷諾數(shù)進(jìn)行計(jì)算其相對誤差是最小的。
　　(2)研究了濃縮風(fēng)能裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法是在原濃縮風(fēng)能裝置的擴(kuò)散管外緣新增一段擴(kuò)散管。根據(jù)新增擴(kuò)散管母線的不同長度d及該母線與豎直方向的不同夾角α可以得

4、到一系列濃縮風(fēng)能裝置模型。采用計(jì)算流體力學(xué)方法對不同結(jié)構(gòu)的濃縮風(fēng)能裝置模型進(jìn)行對比分析，得出性能較好的模型。擴(kuò)散管入口斷面的靜壓越低，則濃縮風(fēng)能裝置的濃縮風(fēng)能特性越好。分析新增擴(kuò)散管對濃縮風(fēng)能裝置性能的影響機(jī)理，得出擴(kuò)散管內(nèi)壁面附近出現(xiàn)流動分離會使?jié)饪s風(fēng)能特性下降，且流動分離影響的是氣流在擴(kuò)散管內(nèi)部從軸線至內(nèi)壁面的徑向擴(kuò)散，而徑向擴(kuò)散的標(biāo)志為軸線與擴(kuò)散管內(nèi)壁面之間出現(xiàn)順壓梯度。
　　當(dāng)新增擴(kuò)散管母線長度d為0.4D時(shí)（D為中央圓筒

5、直徑），新增擴(kuò)散管母線與豎直方向夾角α為0～20°時(shí)，會使新增擴(kuò)散管后方產(chǎn)生的漩渦過于強(qiáng)烈，可使漩渦外緣的部分氣流流向原擴(kuò)散管出口，影響原擴(kuò)散管出口流出的氣流沿徑向的擴(kuò)散，因此會使?jié)饪s風(fēng)能特性降低;隨著α角度的增大，新增擴(kuò)散管后方產(chǎn)生的漩渦強(qiáng)度會變?nèi)?，漩渦外緣流向原擴(kuò)散管出口的氣流減少，新增擴(kuò)散管內(nèi)部的徑向擴(kuò)散會得到改善，濃縮風(fēng)能特性逐漸提高。但當(dāng)α角度大于40°之后，新增擴(kuò)散管外緣的風(fēng)速會下降，漩渦也會逐漸消失，濃縮風(fēng)能特性開始下降，

6、在50°和60°之間會出現(xiàn)突然的降低。
　　當(dāng)α角度為40°，d值在0.1D至0.2D范圍內(nèi)，新增擴(kuò)散管后方未觀察到漩渦，但在該范圍內(nèi)隨著d值的增加，新增擴(kuò)散管內(nèi)部的徑向擴(kuò)散會得到改善，進(jìn)而濃縮風(fēng)能特性會提高。當(dāng)d值在0.2D至0.4D范圍內(nèi)，濃縮風(fēng)能特性提升幅度較大;當(dāng)d值在0.4D至0.6D范圍內(nèi)，濃縮風(fēng)能特性提升幅度變小;
　　(3)研究了濃縮風(fēng)能裝置的選材優(yōu)化
　　對濃縮風(fēng)能裝置優(yōu)化模型進(jìn)行選材優(yōu)化設(shè)計(jì)。其方法

7、是采用流固耦合的方法計(jì)算一定風(fēng)速下風(fēng)力載荷在由所選材料制成的濃縮風(fēng)能裝置上產(chǎn)生的最大應(yīng)力;如果該最大應(yīng)力小于所選材料的斷裂應(yīng)力，則該材料為可選用材料。在流固耦合分析中，為使計(jì)算結(jié)果更加可靠，對固體場進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)體網(wǎng)格及面網(wǎng)格尺寸小于0.015m，網(wǎng)格數(shù)目大于216379之后，流固耦合計(jì)算的精度即滿足要求。為盡量降低誤差，采用體網(wǎng)格及面網(wǎng)格的網(wǎng)格尺寸均為0.009m的網(wǎng)格劃分設(shè)置對固體場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行后續(xù)計(jì)算