入流对水平轴风力机流场和声场影响的数值研究

发布时间：2020-05-02 19:26

【摘要】：自然界风具有阵发性、涡动性、不均匀性。扰动入流风对水平轴风力机不仅影响其出力及其结构,对噪声污染也有着不可忽视的影响。本文以风洞实验为基础,利用ANSYS FLUENT加载扰动入流函数,并结合IDDES(Improve Detached-eddy Simulation)湍流模型和声学FW-H方程对某S翼型水平轴风力机流场和声场进行数值模拟研究,探索在均匀入流和扰动入流下风力机旋转流动特性和声辐射规律,进一步分析湍流强度对风力机气动特性和噪声的影响。风轮流场模拟结果表明,相对于均匀入流,在扰动入流下风轮压力面受到非均匀风和旋转的惯性力作用,压力面静压梯度分布略低,吸力面较大;均匀入流时叶片前缘处的压力系数大于扰动入流工况,随叶展方向增大,截面上压力系数趋于一致;脉动压力监测显示,脉动压力值在两种入流方式下都在叶片中部(0.57R附近)最大,叶尖位置其次,叶根处最小,而均匀入流脉动峰值一致,扰动入流时峰值不同;涡量云图显示在均匀入流下,叶片的0.71R处产生明显的分离流动和叶片尾缘脱落涡,扰动入流在0.57R处则更为强烈;功率在额定尖速比时最大并和实验值最接近,并当尖速比小于额定情况时,扰动入流条件功率更接近实验值,大于额定尖速比时,两种入流方式对功率的影响较小。入流的涡动性引起流场切向和法向扰动,并影响声的传播。在流场分析的基础上,进一步对风轮气动噪声进行分析:声压脉动时均值云图显示风力机噪声源都位于叶片前缘位置,其分布与叶片旋转造成的最大压差分布位置一致;频谱分析指出,两种入流方式声能量主要集中在500Hz内的低频噪声,随着频率增大均匀入流声压级逐渐减小,扰动入流因扰动涡流造成的高频宽带噪声随频率的增大会出现新的峰值;在120°和180°相位角各截面的声压级分析得出,噪声的传播随距声源越远强度越弱,均匀入流声传播特性较为规律,而扰动入流和实验值在传播过程中出现无规律的跳动现象,且都在轴向距离10cm至50cm处声压级下降最快,与实验值规律一致。对不同入口湍流强度对风力机的影响分析指出:当湍流强度由0.2%增加至4%,功率降低了5.07%,测试点噪声增加了12.7dB,湍流强度增至10%时,功率降低11.35%,测试点声压级增加了19.86dB。最后,得出不同入流条件下对风力机气动性能、噪声传播等的影响,为风力机在使用过程中能达到高性能、低噪声提供依据,也为风洞条件下风力机研究提供参考。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83

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本文编号：2647414