沙尘颗粒形状和粒径分布对风力机翼型的冲蚀磨损影响

发布时间：2020-06-08 22:25

【摘要】：随着化石能源的逐渐减少以及人们环保意识的日益增强,风能作为一种清洁的可再生能源,受到了极大的关注,风力发电机组也得到了广泛的应用。当风力机在风沙环境下运行时,沙尘颗粒会与风力机叶片发生碰撞,使叶片表面发生磨损,影响风轮的功率输出,降低风力发电机组的发电量。因此,本文研究风沙环境中沙尘颗粒对风力机翼型的冲蚀磨损影响,为风沙环境下风力机叶片的抗风沙设计提供依据。本文主要以NACA 0012三维翼型作为研究对象,使用SST k-ω湍流模型和离散相模型(DPM)对风沙环境下风力机翼型的磨损特性和气动性能进行研究。研究内容主要包括以下两个方面:(1)不同颗粒体积当量直径下,风沙颗粒形状对风力机翼型磨损特性的影响规律;不同的攻角、颗粒质量浓度、来流风速条件下,不同形状因子颗粒对翼型磨损的临界颗粒Stokes数范围的影响规律;(2)运用UDF加载粒径服从正态分布的随机颗粒,研究不同攻角时,随机颗粒和单一颗粒两种粒径分布方式对风力机翼型磨损特性的影响;不同颗粒质量浓度时,随机颗粒对翼型的冲蚀磨损及其气动性能的影响。主要结论如下:(1)当来流风速为14.6m/s,攻角为6°时,不同形状因子颗粒对翼型最大磨损率变化规律的影响基本一致,颗粒体积当量直径逐渐增大时,翼型最大磨损率先逐渐增大,当颗粒直径为80μm时出现小幅度的减小,之后随颗粒直径的增大而增大。当颗粒体积当量直径相同时,与球形颗粒(即形状因子为1的颗粒)相比,形状因子小于1的颗粒时翼型的最大磨损率较大。颗粒形状对翼型磨损区间的影响较小,几乎可以忽略不计;随着颗粒体积当量直径的增大,颗粒对翼型的磨损区间均逐渐由翼型前缘附近沿压力面向翼型尾缘方向扩展。对于形状因子不同的颗粒,随着体积当量直径的增大,翼型升力系数均先减小后增大,翼型阻力系数均先增大后减小。(2)颗粒形状会影响翼型的磨损临界颗粒Stokes数范围。不同攻角时,颗粒形状因子越小,翼型开始发生磨损的临界颗粒Stokes数越大,随着攻角的增大,翼型发生磨损的临界颗粒Stokes数也增大。不同颗粒质量浓度时,颗粒形状因子越小,翼型发生磨损的临界颗粒Stokes数越大,但颗粒质量浓度的改变对翼型磨损的临界颗粒Stokes数没有影响。不同来流风速时,颗粒形状因子越小,翼型发生磨损的临界颗粒Stokes数越大,风速增大时,该结论仍然成立。总之,相同条件下,颗粒形状因子越小,翼型发生磨损的临界颗粒Stokes数越大。(3)粒径分布对翼型磨损区间几乎没有影响,随机颗粒和单一粒径颗粒两种粒径分布方式时,随着颗粒平均直径的增大,翼型表面的磨损区间由翼型前缘附近沿压力面向尾缘方向扩展,并且攻角越大,翼型磨损区间越大。粒径分布对翼型磨损程度影响较大,颗粒平均直径相同时,与随机颗粒相比,单一粒径颗粒对翼型的冲蚀磨损更严重。颗粒质量浓度较小时,粒径分布对翼型气动性能的影响较小,基本可以忽略。(4)同一粒径范围的随机颗粒时,颗粒质量浓度对翼型磨损区间影响很小,几乎可以忽略不计,翼型磨损区间的大小只与攻角及颗粒平均直径有关。颗粒质量浓度对翼型表面的磨损程度影响较大,同一粒径范围的随机颗粒下,翼型最大磨损率与颗粒质量浓度成正比。同一颗粒质量浓度时,与清洁空气相比,9°攻角时,颗粒的加入对翼型周围压力的影响很小;12°攻角时,颗粒的加入对翼型周围压力的影响较大,尤其是翼型尾缘附近,随着颗粒平均直径的增大,颗粒对翼型尾缘的影响逐渐增大。改变颗粒质量浓度时,该结论仍然成立,但总体上颗粒质量浓度对翼型周围压力的影响较小。颗粒质量浓度对翼型升阻力系数的影响也较小,但颗粒质量浓度越大,颗粒对翼型升阻力的影响越明显。
【图文】：

工程硕士学位论文 西 北 部 和 河 北 北 部 等 地 区 ， 与 其 他 地 区 相 比 ， 这 些 地 西 风 带 的 影 响 较 大 ， 冬 季 受 来 自 北 方 地 区 较 冷 的 高 压 这 里 形 成 了 西 风 和 西 北 风 两 种 主 导 风 向 ， 这 里 风 速 相 长 ， 再 加 上 这 些 地 区 海 拔 较 高 ， 风 能 在 梯 度 方 向 上 的此 这里 具 有 丰富 的风 能 储备 资源， 风能 开发价 值较高

图 2.1 翼 型 的 几 何 参 数型 前缘：翼 型的中 弧线 和翼型 前部轮 廓的 交点处 ，即为翼 型 中 A 点 的 位置； 型后缘 ：翼 型的中 弧线 和翼型 后端尖 型部 位的交 点处，即图 2.1 中 B 点 所在 位置 ； 弦 C：翼 型前缘 点和 后缘点 之间连 成的 线段， 即为翼 弦AB 的 长度 即为翼 型的 弦长； 装 角 θ： 即 风轮旋 转平 面和叶 片翼弦 形成 的夹角 ，又称 为距 角； 角 α：翼 弦 和相对 风速 所成的 角，又 称为 迎角。阻力系数及其影响因素系 数 绕 翼 型 流 动 时 ， 翼 型 的 吸 力 面 和 压 力 面 会 产 生 气 动 压 力 的 合 力 ，， 称 之 为 作 用 于 翼 型 的 气 动 力 。 翼 型 所 受 的 气 动 力 ， 其 中 ， 垂 直 于 来 流 方 向 的 力 为 升 力 ， 平 行 于 来 流 方
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK83

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本文编号：2703736