极端风况下水平轴风力机的非定常气动特性研究

发布时间：2020-07-30 06:25

【摘要】：风能是一种环境友好型的可再生能源,当前已成为世界各国研究和投资的热点。其主要利用形式是风能发电,风力机作为发电设备的核心部件可以将风能转化为电能。风力机一般工作在非稳态的外部环境中,风况条件是运行环境的关键因素之一,严重影响着风力机的气动性能。其中包含的极端风况是风力机的临界外部设计条件,对其生产安全和使用寿命起到了决定性作用。因此,本文基于标准极端风况模型,以某三叶片1.5MW水平轴风力机为研究对象,建立三维计算模型并划分网格,使用Fluent软件作为求解器,通过求解N-S方程完成均匀来流和极端风况下非定常数值模拟,并对比分析叶片气动载荷与表面流动状况,得到极端风况对风力机气动特性的影响规律。本文主要的研究工作和结果整理如下:选取极端连续阵风、伴随风向变化的极端连续阵风、1年一遇和50年一遇极端运行阵风三种极端阵风风况,轮毂参考风速取10.4m/s编写UDF程序,经过编译后设置为各极端工况的入口边界条件,并获得相应运行周期内的计算结果。为了对比起见,对入口速度为10.4m/s的均匀来流条件也进行数值模拟,除入口速度外其它计算设置与极端阵风风况相同。均匀来流时各时刻风轮外特性和流场的变化很小,模拟周期内转矩基本维持在270kN?m,叶片各截面压差从叶根向叶尖增大,且不随时间改变。来流攻角始终不变,叶片表面流动基本为附着流。截面法向力、切向力系数从叶根向叶尖减小,气动力系数-时间曲线近似为直线。在极端连续阵风运行周期内风速不断增大,低风速阶段内转矩和截面法向力、切向力系数与风速随时间的变化规律相似,叶片吸力面大部分区域为附着流,各截面压差和来流攻角较小;高风速阶段内转矩曲线与时间曲线存在差异,叶片失速使吸力面出现大范围流动分离,导致转矩呈波动性地缓慢上升。风速持续增大,翼型截面前缘压差和来流攻角也时刻变大,流动分离点逐渐向前缘靠近,紊流区不断扩展,并发生沿展向的流动,产生的分离涡使截面法向力、切向力系数随风速增大而无规律振荡减小。在伴随风向改变的极端连续阵风运行周期内风速先增大后减小,风速增大阶段内,转矩和截面法向力、切向力系数以及流场状态均与极端连续阵风工况的低风速阶段类似,在接近最大风速时,同样由于叶片失速使转矩和截面气动力系数开始减小;最大风速时刻,叶片吸力面出现小范围的流动分离,截面压差与来流攻角达到最大;随后风速下降阶段内,叶片吸力面的分离区域逐渐减小,但转矩和截面法向力、切向力系数曲线无法迅速恢复成与风速曲线相同的变化规律。在极端运行阵风运行周期内风速波动变化,各时刻风轮外特性和流场的变化规律同上,转矩和截面法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前。经过最大风速时刻后,在来流减速段内高风速下产生的分离涡逐渐减弱并被来流带走,流动重新恢复为附着流,各系数也逐渐恢复,紊流向层流转化过程中流动的不稳定性较强,使法向力、切向力系数的减小过程出现了不规则的波动变化。50年一遇极端运行阵风风速变化范围更大,运行时间更长,气动载荷和流动状态变化也比1年一遇极端运行阵风条件下更明显。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【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：2775155