基于气动相似的浮式风力机模型叶片快速设计方法
发布时间：2021-01-30 18:42
在浮式风力机模型试验中,由于尺度效应的影响,浮式风力机模型叶片的推力不能达到弗汝德相似条件下的目标推力值,采用重新设计叶片的方式可以较好地满足模型试验的要求。文章以某6 MW海上浮式风力机模型试验为例,提出基于气动相似的模型叶片快速优化设计方法,并与前人提出的方法对比。计算结果表明:在额定工况下,文章提出的方法可有效降低78.18%的风力机推力计算次数,从而提高计算速度;在试验工况下,该方法设计的叶片与目标值的匹配情况优于模矢搜索法。研究结果可以为风力机模型叶片优化设计提供参考。
【文章来源】：可再生能源. 2019,37(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
翼型受力分析图
满足雷诺相似是不可能的。浮式风力机模型试验选择满足弗汝德相似定律，导致叶片所处雷诺数发生变化，引起尺度效应。本文以某6MW浮式风力机模型试验为例，试验缩尺比为1∶65.3，浮式风力机原型及模型设计参数见表1。在额定工况下，某6MW浮式风力机原型叶片在展向70%处的雷诺数为8.5×106。在模型试验中，几何相似叶片在相同位置的雷诺数为1.6×104，实型叶片所处雷诺数是模型叶片的527倍。由于雷诺数的较大变化，几何相似叶片不能满足推力相似要求，如图1所示。由图1可知，在试验任务书规定的叶尖速比范围内，几何相似叶片的推力系数小于试验目标值。在额定工况下，几何相似叶片产生的推力值仅为1.54N，比目标推力值小52.03%。为消除尺度效应影响，采用重新设计叶片的方式满足推力相似要求。对于杜炜康提出的模型叶片优化设计方法，由于优化参数过多，导致优化时间较长。本文提出一种基于气动相似的模型叶片快速设计方法。2模型叶片设计理论及方法2.1设计理论本文中，模型风力机叶片推力计算采用美国新能源实验室编写的AeroDyn软件，计算理论设定为动量-叶素理论[8]。动量-叶素理论的主要思路是将叶片分为若干叶素，在假定相邻叶素互不干扰的前提下，分别计算每个叶素的升、阻力，并在风轮面法向和切向方向投影，进而求得整个叶片上的推力和转矩。对于叶素的升、阻力，在假定叶切面上的受力可代表整个叶素受力条件下，可通过求解叶切面受力得到，如图2所示。根据动量理论，翼型处轴向速度V2和周向速度U2分别为V2=（1-a）V1（3）U
型的升力系数图谱Fig.3MapofNACA4412liftcoefficient（b）Re=48400～80000（a）Re=1000～4050010008900168002470032600405001.501.251.000.720.500.250.00-0.25-0.50升力系数Cl功角α/（°）-10-50510152025303548400563006420072100800001.751.501.251.000.750.500.250.00-0.25-0.50升力系数Cl功角α/（°）-10-50510152025303510008900168002470032600405000.50.40.30.20.10.0升力系数Cd-10-505101520253035图4NACA4412翼型的阻力系数图谱Fig.4MapofNACA4412dragcoefficient（b）Re=48400～80000功角α/（°）陈哲，等基于气动相似的浮式风力机模型叶片快速设计方法几何相似叶片拟合叶片0.100.080.060.040.020.00弦长c/m叶片展向位置/m0.00.20.40.60.81.0图5四次多项式拟合叶片不同展向处弦长Fig.5Quarticpolynomialfittingchordlength·263·功角α/（°）
本文编号：3009398
【文章来源】：可再生能源. 2019,37(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
翼型受力分析图
满足雷诺相似是不可能的。浮式风力机模型试验选择满足弗汝德相似定律，导致叶片所处雷诺数发生变化，引起尺度效应。本文以某6MW浮式风力机模型试验为例，试验缩尺比为1∶65.3，浮式风力机原型及模型设计参数见表1。在额定工况下，某6MW浮式风力机原型叶片在展向70%处的雷诺数为8.5×106。在模型试验中，几何相似叶片在相同位置的雷诺数为1.6×104，实型叶片所处雷诺数是模型叶片的527倍。由于雷诺数的较大变化，几何相似叶片不能满足推力相似要求，如图1所示。由图1可知，在试验任务书规定的叶尖速比范围内，几何相似叶片的推力系数小于试验目标值。在额定工况下，几何相似叶片产生的推力值仅为1.54N，比目标推力值小52.03%。为消除尺度效应影响，采用重新设计叶片的方式满足推力相似要求。对于杜炜康提出的模型叶片优化设计方法，由于优化参数过多，导致优化时间较长。本文提出一种基于气动相似的模型叶片快速设计方法。2模型叶片设计理论及方法2.1设计理论本文中，模型风力机叶片推力计算采用美国新能源实验室编写的AeroDyn软件，计算理论设定为动量-叶素理论[8]。动量-叶素理论的主要思路是将叶片分为若干叶素，在假定相邻叶素互不干扰的前提下，分别计算每个叶素的升、阻力，并在风轮面法向和切向方向投影，进而求得整个叶片上的推力和转矩。对于叶素的升、阻力，在假定叶切面上的受力可代表整个叶素受力条件下，可通过求解叶切面受力得到，如图2所示。根据动量理论，翼型处轴向速度V2和周向速度U2分别为V2=（1-a）V1（3）U
型的升力系数图谱Fig.3MapofNACA4412liftcoefficient（b）Re=48400～80000（a）Re=1000～4050010008900168002470032600405001.501.251.000.720.500.250.00-0.25-0.50升力系数Cl功角α/（°）-10-50510152025303548400563006420072100800001.751.501.251.000.750.500.250.00-0.25-0.50升力系数Cl功角α/（°）-10-50510152025303510008900168002470032600405000.50.40.30.20.10.0升力系数Cd-10-505101520253035图4NACA4412翼型的阻力系数图谱Fig.4MapofNACA4412dragcoefficient（b）Re=48400～80000功角α/（°）陈哲，等基于气动相似的浮式风力机模型叶片快速设计方法几何相似叶片拟合叶片0.100.080.060.040.020.00弦长c/m叶片展向位置/m0.00.20.40.60.81.0图5四次多项式拟合叶片不同展向处弦长Fig.5Quarticpolynomialfittingchordlength·263·功角α/（°）
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