大气边界层对方柱绕流的影响研究

发布时间：2020-10-09 10:11

　　现代大型风力机处于贴近地表的大气边界层流场内,大气边界层中的非均匀、非定常流动直接影响着风力机的发电质量,同时对风力机叶片稳定性、安全性都有很重要的影响。这其中两个关键的物理过程对风力机安全性至关重要,一是大气边界层造成的风力机非定常载荷,即大气边界层对风力机流场的干扰;另一个是大型风力机叶片的振动问题。因此本文针对这两个问题展开了实验及数值模拟研究。本文采用了实验及数值模拟的方法,对不同大气边界层工况条件下,下游钝体绕流的气动响应问题进行了研究。另外,本文针对三类典型的风力机内部结构进行了一阶固有频率及应力刚化效应的研究,以此来寻求既能避免共振又能更好增加刚度性能的叶片内部结构。本文具体完成了以下几个方面的工作:1、通过在风洞内铺设粗糙元和尖劈来模拟大气边界层,测量结果表明,这种近地干扰装置,能初步仿真出相关地形近地面大气边界层的速度分布及湍流状态。2、在上述边界层的下游放置钝体(方柱)来模拟风力机,以此来模拟大气边界层对下游风力机绕流影响。通过对干扰条件下的速度场及湍流强度分析,得到了不同大气边界层工况对速度和湍流强度分布的影响规律。3、通过对速度脉动数据的分析,分别研究了8种工况的泰勒微尺度和湍流耗散率,总结了工况间湍流耗散率差别的原因。4、采用计算流体力学的方法,对上述实验进行了计算。数值模拟的速度分布与实验值的分布基本一致。5、本文还研究了复合材料不同铺层角度风力机叶片固有频率的影响,同时对比分析了不同叶片内部结构对应力刚化特性的影响。本文主要采用实验与数值模拟相结合的方法,研究了影响风力机叶片安全性的两个重要问题,一是流场干扰问题,由大气边界层带来的气动载荷波动;二是叶片的振动问题,受内部结构及复合材料铺层的影响。前一个问题涉及非定常、非均匀及互相干扰的高湍流流动,后一个问题涉及复合材料、应力刚化等问题。因为实验条件、研究时间及研究者能力有限,本文仅能够开展一些初步的研究和分析工作,同时文中出现的错误、不当之处,还请读者谅解。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

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高度越高摩擦阻力越弱，达到某一高度时摩擦阻力可忽为大气边界层厚度。大气边界层厚度与地表类型有关，一般为 5由大气位于大气边界层上方，主要受气压梯度力和科氏力的影响而]。界层可分为两大部分一是“近地面层”，即靠近地球表面的部分，界层厚度的 10%至 20%；另外是“过渡层”，位于近地面层的上方层”[10]。如图 2-1 所示。根据粘性力和切应力的主导地位，可将近为层流副层（贴地层）和常值通量层。黏性力为层流副层内的主导大气流动的反作用力，造成动量损失，使雷诺应力呈现随高度由该层厚度被称成为“零平面位移”，用 Zd 表示。零平面位移与气流，流速越大、地面粗糙元越紧密，零平面位移的上升斜率越高[1层流副层上部，它的大气流场特性受层流副层的地表状况直接影响显的湍流特性，湍流输运占主导。

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b（m）底部宽度 0.11687 0.16585 0.23085 0.30946表 3-4 比例系数 1:300 下粗糙元尺（间距为 0.2m）地表类型 A B C D比例系数 1:300 1:300 1:300 1:300k（mm）粗糙元高度 9.80640 27.63682 64.81975 120.7108Cf0.00156 0.00258 0.09617 0.007243δD2/k342416.12>2000 2210.76>2000 195.8288 34.11243通过对比 3 种比例系数下的数据结果，发现尖劈的设计高度在 1.311m~2.719m 范围内，底部宽度在 0.116m~0.502m 范围内，粗糙元尺寸满足式（3-7）。因为考虑到实验风洞的尺寸，最终选择1:300为大气边界层被动模拟的比例系数，尖劈高度为1.7m，宽度为 0.3m（图 3-3a）；粗糙元边长取 0.05m，间距 0.2m（图 3-3b）。

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图 3-4 大气边界层被动模拟元件在风洞内的布置种大气边界层工况表 3-5 大气边界层被动模拟实验工况旋转圆盘到粗糙元板的最短距离尖劈 1.4m 3.5m 粗糙1.4 3.5

【参考文献】