基于三维改进致动面模型的风力机尾流特性研究

发布时间：2020-07-18 14:18

【摘要】：风力机尾流干涉效应可直接导致风场中风力机群工作效率的大幅度降低并会影响叶片的使用寿命。而风力机所处底层大气的无序性、非定常性以及流场自身三维性给风力机在复杂运行工况(如风剪切、风切变及偏航等)下的功率预测带来困难,更为尾流流动的研究带来巨大挑战。本文以OpenFOAM平台为基础,针对风力机尾流特性进行了以下研究,为提升风力机气动效率、优化风场微观选址提供有效依据。为解决常规CFD方法对网格数和网格质量的依赖问题,本文采用新型致动模型研究风力机尾流特性。致动模型通过在N-S方程中添加体积力源项的形式模拟叶片对流场的作用,无需构建真实的叶片固壁边界,从而减少网格数量、降低了计算所需时间和对计算机资源的要求。首先,针对均匀入流风况,采用致动线模型(ALM)研究了单台风力机的尾流特性。同时在MRF参考系下比较分析了在不同入流风速下的三维CFD风力机模型尾流特性并与ALM模型的计算结果流场结果对比。结果表明：ALM模型与CFD模型下的流场速度、拟涡能等结果相比吻合较好,数值验证了ALM模型的可行性。继而,对自主开发的改进致动面模型(IASM)进行验证。针对均匀入流风况,比较了改进致动面模型与CFD模型的计算结果：基于IASM模型的尾流场速度更接近CFD模型下的流场,其涡结构与CFD模型趋势相符。对比了IASM模型、CFD模型和NREL实验室公布的叶片表面压力分布,IASM模型的预测结果与NREL实验室数据具有很好的一致性,验证了IASM模型的准确性。进而,针对剪切入流和湍流入流工况,采用IASM模型研究了风力机尾流场特性,分析了入流工况对风力机尾流特性的影响以及流场旋转效应和微团剪切效应对流场影响的强弱。结果表明：剪切入流下的尾流场呈非对称分布,轮毂旋转轴线以上的尾流区的速度亏损强于轴线下部区域,而湍流工况下流场则保持对称分布。剪切入流下叶片脱落的倾斜螺旋涡为变螺距分布,湍流入流下螺旋涡螺距不随位置高度变化,且明显小于剪切入流。两种入流下的近地表层速度剪切较大且出现较大的连续涡面。最后,针对多台风力机,基于IASM模型数值模拟了不同布局方式下的风力机尾流场,对风场中尾流干涉下的风力机尾流特性以及风力机布局方式对尾流特性的影响进行了分析。结果表明：尾流干涉效应在流场中是非线性叠加的,尾流干涉作用加速了流场的发展,使得流场涡结构迅速破碎并实现流场重建。同时,不同排布方式下干涉效应对下游风力机产生的影响并不完全相同：错排排布下的流场相较于串联排布下的流场发展较快；相同排布方式下,排布间距较小的风场中,下游风力机尾流在离风轮平面更近的位置出现紊乱的现象。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK83
【图文】：

尾流场,叶尖,螺旋,烟迹

基于Ｈ维改进致动面模型的风力机尾流特性研巧逡逑流输运到流场速度并思示叶尖满截面，一类是从叶片模型喷射从而显示螺旋尾迹。逡逑ｅｄｓｓｏｎＰ２喘ＶｅｒｍｅｅｒＰｓ馆示的烟迹实验中祸核结构清晰可见，如图ｌ－ｌ（ａ？Ｃ）。该实验逡逑现了值得注意的现象：不同奖距角下叶片的叶尖祸螺距角和速度不同；尾流发展一逡逑间后，后生成的螺旋祸与早前生成的螺旋锅相遇并合并成一个新的螺旋锅。ＮＲＥＬ逡逑室的全尺寸实验将喷管设置在叶尖位置ｔＷ，如图１－１（巧，这类烟迹并不确定是否准逡逑地揭示叶尖祸路径或者叶尖区域的流线信息。逡逑

流管,演变曲线,风力机,风轮

当无穷远入流抗（截面１）流经风轮平面时，由于风轮的阻碍作用流体在风轮平面前逡逑流速降为［／NB截面２），流经风轮平面后再次下降为［／３（截面３）。根据质量守恒定律，流逡逑管在风轮平面后扩张，在尾流远端稳定速度机（截面４），如图２－１所示。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－１风力机流管及截面（ａ）和压力－速度演变曲线化）逡逑气流经过风轮平面的速度总变化量为ＡＵ邋＝邋Ｕｏｏ邋－邋Ｕｗ，动量变化率为速度变化量和逡逑质量流量的乘积。沿流管方向质量流量处处相等，考虑流管中速度叠加到自由流速的变逡逑化率，引入轴向诱导因子０，可１＾？得到风轮平面的净速度的为：逡逑１１逡逑

截面图,截面,翼段,惯性参考系

在半径为ｒ、弦长为Ｃ的叶素平面ｒ邋Ｗ，ｚＪ内，当地Ｖｒｅ！二如＋邋脚－Ｖ目ｆ表示惯性参考系下的轴向速度；Ｆｅ表示惯性参考系下的切向速度距角，口为相对和速度与旋转面之间的夹角，表示为＜？邋＝邋ｔａｎ－１的翼段所受的升力和阻力分别为：逡逑ＳＬ邋二邋＾ｐｃｖｈＣｕＳｒ逡逑’逦１ＳＤ邋＝邋－ｐｃｖｌｅｉＣｄＳｒ逡逑－逦厶逡逑力和阻力分R%投影到流向方向，翼段的轴向力表示为：逡逑式Ｌ邋ＣＯＳ少＋《公ｓｉｎ邋＾邋ｉ逦ＣＯＳ方＋邋Ｃ凸ｓｉｎsE加环上所受轴向力为圆盘压降和切向速度附加的轴向力么和，引入

【参考文献】