基于零质量射流的立轴风力机叶片分离流动控制研究

发布时间：2020-06-04 17:41

【摘要】：叶片边界层流动分离是风力机运行中常见的复杂流动现象之一,不仅会造成风轮的捕获功率下降,还影响风力机的工作稳定性。可以采用一定的流动控制方法,延缓或消除流动分离,提高叶片气动性能。零质量射流是一种新兴的主动流动控制技术,具有无需额外气源、响应速度快等独特优势,仅对外输出动量而输出质量为零等显著特征,使其在风力机叶片流动控制方面极具应用潜力。采用CFD方法,以零质量射流激励器、平板、凸包、翼型和立轴风力机为研究对象,开展了零质量射流及其流动控制的研究。分析了激励器不同控制参数对流动控制效果的影响规律,揭示了零质量射流抑制叶片流动分离的原因,为基于该技术风力机叶片的设计提供参考依据。以零质量射流激励器为研究对象,建立了零质量射流激励器简化模型,研究了静止域中零质量射流的二维流场和平板上横流中零质量射流的二维流场。将计算结果与实验值进行了比较,确定了简化模型和计算方法的正确性。分析了激励器出口附近的流动结构,不同激励参数对流场扰动的特征以及零质量射流对边界层的作用规律。研究发现,零质量射流会在孔口处产生旋涡对,旋祸对在自身的诱导作用下不断向外扩展。随激励频率增加,旋涡距孔口距离、涡核半径和涡对间距逐渐减小。零质量射流在横流中的时均流场与连续射流相似。在吹吸气不同阶段,零质量射流对边界层作用不同。速度比相同时,零质量射流使边界层内速度型更饱满,控制效果优于连续射流。激励速度越大,射流运动轨迹受横流影响越小。激励频率越大,射流运动轨迹与相同速比的连续射流轨迹越接近。以平板上凸包为研究对象,研究了零质量射流对凸包分离流动的控制作用。数值模拟结果与实验数据对比确认后,分析了孔间距变化对凸包分离流动控制的影响规律,揭示了零质量射流抑制凸包流动分离的机理。基于正交试验设计,研究了四个控制参数对凸包流动控制的综合影响,采用极差分析法得到了影响三个指标(分离点、再附点和分离区面积)的各控制参数的主次顺序。研究发现,零质量射流激励时产生的射流使分离区内速度型更饱满。吹气时孔后旋涡将分离区外的高能流体卷入分离区内,分离面积减小;吸气时孔上游边界层内低速流体被吸入孔内,孔附近边界层变薄,分离推迟。孔入射角度对凸包分离点位置影响最大。激励频率对凸包再附点位置和回流区面积影响最大。以某风力机翼型为研究对象,研究了静态与动态失速下,不带/带零质量射流翼型的二维绕流场。数值模拟结果与实验数据对比确认后,分析了控制参数变化对翼型分离流动控制的影响规律,揭示了零质量射流减小翼型气动特性迟滞效应的原因。研究发现,零质量射流具有推迟翼型表面流动分离,增升减阻的作用。翼型发生动态失速时,失速攻角随折合频率增大而增加,气动特性曲线波动次数随折合频率增大而减小。零质量射流可以抑制翼型动态失速现象,施加零质量射流控制后,翼型气动特性曲线产生高频波动。迟滞效应随激励频率和激励速度的增加而减弱,高频振荡次数随激励频率的增加而增加。以某立轴风力机为研究对象,研究了不带/带零质量射流的两叶片结构的H型风力机的二维非定常绕流场。数值模拟结果与实验数据对比确认后,分析了控制参数变化对叶片动态失速的影响规律,揭示了施加控制后风力机气动载荷提高的原因。研究发现,零质量射流布置在叶片前缘10%位置时可以抑制叶片前缘涡的产生,延缓尾缘涡的脱落,大幅提升风力机的功率系数。零质量射流主要提升叶片相位角在90°至180°之间的做功能力。施加零质量射流控制后切向力系数曲线会产生波动,随动量系数增加,波动幅度增大。综合考虑能量消耗与叶片输出功率的关系,动量系数选取不易大于0.015。
【图文】：

风电,装机容量

作为？种重要的清洁能源，风能已经成为世界各国发展可Ｗ生能源的逡逑共同选择。全球风能理事会最新公布数据显示：截止到２０１８年底，世界风电装逡逑机容量己达到６０亿千瓦叫我国风电装机容量己达到２２亿千瓦％如图１－１。逡逑欧盟和美国分别计划到２０３０年风电提供３３％和２０％的电力１３’４１。我国Ｗ家能源逡逑局提出至２０２０年底确保风电累计并网装机容量达２．１亿千瓦以上，年发电量占逡逑国家总发电量６％的规划目标［５＞。可见，未来数十年内风电发展前景厂Ｎ，必将逡逑成为未来能源结构中的？个重要组成部分。逡逑７０００００邋逦２５００００邋逦逡逑ｆ邋６０００００邋＿逦＾逡逑Ｉｓｏｏｏｏｏ邋：逦｜一逦．■曑逡逑Ｉ：逦■■■ｉｌｌ邋｜１：逦■卜．；１：丨逡逑２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８逦２００８邋２００９邋２０１０邋２０１１邋２０１２邋２０１３邋２０１４邋２０１５邋２０１６邋２０１７邋２０１８逡逑Ｙｅａｒ逦Ｙｅａｒ逡逑图１－１邋１１１：界累计风电装机容量１１１逦阁１－２我国累计风电装机＃量ｍ逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｇｌｏｂａｌ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙＮＩ逦Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ邋ｗｉｎｄ邋ｃａｐａｃｉｔｙ＾逡逑根据转动轴的方式不同风力机可分为水＇Ｉ＇？轴风力机（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋Ａｘｉｓ邋Ｗｉｎｄ逡逑Ｔｕｒｂｉｎｅ，邋ＨＡＷＴ）和立轴风力机（Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋Ａｘｉｓ邋Ｗｉｎｄ邋Ｔｕｒｂｉｎｅ，邋ＶＡＷＴ）两类。逡逑目前采用最多的是水平轴风力机

示意图,涡发生器,翼型,示意图

涡发生器结构为三角形、梯形或矩形等，传统的涡发生器高度与边逡逑界层厚度保持在一个量级，涡发生器常与来流有一定夹角，，被成对布置在翼型逡逑前缘（如图１－４）。涡发生器会产生具有一定强度的集中涡，该集中涡在涡发生器逡逑下游会将边界层外的高能流体卷吸到边界层内，从而达到抑制分离的目的［４３］。逡逑Ｖｏｒｔｉｌｏｎｓ逡逑图１－４带涡发生器翼型示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ａｉｒｆｏｉｌ邋ｗｉｔｈ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ逡逑涡发生器是一种很小的流动控制装置，为了研宄涡发生器对风力机叶片分逡逑流流动的控制效果，并优化涡发生器的安装位置、几何等参数，人们常采用简逡逑化的涡发生器计算模型进行数值模拟。比如Ｂｅｎｄｅｒ等１４４１提出的ＢＡＹ模型，Ａｄａｍ逡逑等［４５１提出的ＪＢＡＹ模型等。近期张磊等１４６］利用势流理论得到了旋涡强度的计算逡逑公式，将涡发生器的影响以源项的形式添加到控制方程中，建立了一个新的数逡逑值模型。逡逑李新凯［４７］以带涡发生器的兆瓦级叶片为模型，采用ＣＦＤ和实验方法，研逡逑究了涡发生器抑制叶「分离流动的效果，并分析了涡发生器对叶片强度的影响。逡逑结果表明涡发生器会降低叶片强度
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK83

【参考文献】