垂直轴风力机叶片脊状结构减阻气动特性的数值研究

发布时间：2020-06-02 04:11

【摘要】：近年来,随着国家对清洁能源的大力提倡,风电产业蓬勃兴起。垂直轴风力机以其独特的优势在中小型风能领域受到国内外的广泛关注。叶片是风力机结构组成中的核心部件,其良好的气动性能是提高风能利用效率的根本保证。其中,翼型的优化是提升叶片气动性能的核心要素。由于翼型附近边界层内的流动特性决定了整体翼型的气动特性,因此本文主要以近壁面区域为中心展开讨论。本文针对升力型垂直轴风力发电机常见翼型NACA0012进行研究,根据仿生学原理,将V型脊状表面布置于翼型表面,通过数值模拟的方法对比改型前后翼型的气动性能,得出最佳优化方案,探究其减阻机理。本文主要在以下几个方面进行探究:(1)为确保计算速度与质量,对翼型网格进行无关性验证;选取合适的湍流模型,并对计算模型进行实验对比验证;设定流场条件,对光滑翼型NACA0012进行数值模拟计算,分析该翼型壁面附近的气动特性;结合垂直轴风力机叶片工作原理,最终确定本课题的基本研究工况。(2)将脊状表面布置于翼型中部位置、前缘位置,进行多组工况的二维数值模拟。通过分析所设定的脊状结构尺寸在影响气动性能的主要参数(风速、攻角)的变化下得出的升阻变化趋势,对比得出主要影响参数、最佳布置位置以及最佳脊状结构尺寸。(3)根据升阻变化剖析脊状表面的气动特性与流动机理。观察不同脊状结构开口尺寸及开口间距沟谷附近二次流对壁面剪切应力的影响,以及壁面附近的速度分布。进一步探究凹槽内涡量分布、湍动能分布等变化趋势,并与光滑翼型对比,分析总阻力出现的波动趋势,验证脊状结构对整个翼型气动特性的影响。通过计算分析,本文的到如下结论:(1)经对比分析,在翼型中部布置适当尺寸的脊状结构能够得到很好的减阻效果。翼型总阻力为压差阻力和摩擦阻力共同作用的结果,开口尺寸s越大,两者同时增大;开口间距a不能直接决定两者的作用效果,只有在开口尺寸s与开口间距a相互匹配时,减阻效果最为明显,最大减阻率可达35%左右。其中s-a分别为0.5-0?mm、0.5-0.5?mm、1.5-1.5?mm、1.5-2.5?mm、1.5-3.5?mm五组脊状结构尺寸优化效果较好,可提高升阻比,改善翼型气动性能。(2)在翼型前缘布置脊状结构对翼型气动性能并无改善。翼型前缘是接受来流风速的关键部位,会对整个翼型壁面的边界层产生影响。当开口尺寸s=0.5?mm、a≤1.5?mm时,升阻比变化不大;当尺寸进一步增大,升阻比急剧降低。前缘粗糙度的不确定性会导致翼型表面附近流场扰动加剧,迫使气动性能恶化。因此,将前缘位置受损程度控制在一定范围内是保证翼型具有良好气动性能的关键。本文研究结果可为工程实际中风力机叶片翼型表面的优化改型及性能改善提供参考依据。
【图文】：

示意图,计算区域,示意图,物理数学

' ' * 2ij i l tj l l luU uu vt x k x x x 闭系数：α=5/9，β=3/40，β*=0.09，σ=σ*=0.09，ε=β*ωk，l=k1/2/条件与计算模型验证条件设定据实际流场条件以及计算模拟对象的物理数学条件，对流场进行稳定流场，各参数不随时间变化；定速度较低，气体在翼型附近所做运动为不可压缩流动；设定流度、黏度等物理参数不随时间变化， ρ=1.225 kg/m35 Pa·s；流动不涉及传热，流场视为等温条件，故不考虑能量方程。设置如图 2-1 所示。

对比图,升阻力系数,翼型,光滑表面

第 2 章数值计算方法及工况筛选(1)入口边界条件：入口为速度入口(velocity-inlet)，气流速度方向为垂直于入口边界；(2)出口边界条件：出口采用压力出口(pressure-outlet)；(3)壁面边界条件：翼型表面、计算区域上下边界壁面采用无滑移壁面边界条件(wall)。壁面附近采用增强型壁面函数。差分格式选取二阶迎风模式，速度与压力的迭代求解采用 SIMPLEC 算法，收敛条件设置为残差水平下降到 10-5。2.2.2 计算模型验证为了验证翼型数值模拟方法的可行性，了解不同湍流计算模型对翼型气动性能的影响，分别选用 Spalart-Allmaras(S-A)模型、k-ε模型以及 k-ω模型对光滑翼型 NACA0012 进行数模拟，，在雷诺数为 3.6 105时得出 0~18o不同攻角状态下的升阻力系数，得到数值模拟计算结果与国外实验数据[61]升阻力系数变化对比图，如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK83

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