表面磨损形貌特征对风力机翼型气动性能的影响研究

发布时间：2020-11-13 01:37

　　 风力机长期受冰雹暴雨以及沙尘暴等的冲蚀影响,导致风力机叶片表面受损,严重影响到风力机的安全稳定运行及功率输出。本文针对S809翼型,对前缘表面不同深度、不同范围的磨损形貌特征进行研究,旨在得出不同磨损形貌特征对翼型及其周围流场的影响规律,并在一定条件下模拟了沙尘环境下翼型的磨损过程。采用CFD方法计算并分析了不同磨损形貌特征S809翼型的空气动力特性及流场结构,研究前缘磨损对翼型空气动力特性的影响机理。(1)采用SST k-?湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响。结果表明,前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移。随脱层深度加深和攻角增大,吸力面前缘回流旋涡和后缘分离区首先由相互独立状态变为同一外边界、分离区中心相互独立的状态,最后两区域完全融合。同一攻角下,前缘脱层深度对前缘的压力系数影响较大。攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大。相对光滑翼型来说,前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%。(2)建立了脱层深度为3mm、不同脱层范围的压力面脱层翼型和吸力面脱层翼型。脱层改变了翼型形状,流过压力面脱层翼型前缘时为前台阶流动;流过吸力面脱层翼型前缘时为后台阶流动。前台阶后形成的回流旋涡使尾缘流动提前分离,分离点前移。与光滑翼型相比,不管是压力面脱层还是吸力面脱层都会引起翼型尾缘的流动提前分离,且攻角越大流动分离越严重。翼型发生脱层后,其升力系数和阻力系数在攻角小于8.2°的情况下与光滑翼型相差较小;攻角大于8.2°后,脱层翼型的升力系数较光滑翼型显著减小,阻力系数显著增大。前台阶对空气流动的影响大于后台阶,因此两种脱层模型中,压力面脱层对翼型气动性能影响较大。脱层造成翼型表面外形突变,导致脱层翼型的表面压力出现了三种现象,一是在脱层位置处出现局部压力突变;二是随攻角增大,前缘至最大相对厚度处的压力明显降低,出现流动分离;三是翼型发生脱层后,前缘至最大相对厚度处的表面压力均出现了波动。(3)通过气固两相模拟研究了沙粒对风力机翼型的磨损过程。选取位于PhaseⅥ风力机叶片半径99.4%处的翼型为研究对象,攻角为12.29°。以光滑翼型的气固两相模拟为基础,通过翼型表面磨损率的分布计算出磨损深度,对翼型进行改形,然后在同样的条件下对改形翼型进行气固两相模拟,重复上述步骤模拟了翼型磨损过程。研究发现压力面的磨损范围为前缘至弦线的40%处,吸力面磨损范围为弦线的10%内;前缘附近磨损位置的分布较为密集,磨损率较大,沿弦线方向磨损位置分布逐渐稀疏,磨损率较小;改形后翼型发生磨损的位置相对上一次磨损位置均向前缘递进移动,并且随改形次数增加磨损率显著增大。翼型的磨损过程可概括为:光滑翼型发生磨损后,磨损位置以上一次磨损位置为基础逐渐向前缘移动,形成分布密集的小坑,沙粒对小坑边壁进行破坏,使得相邻的小坑连通成为较大的坑,最后逐渐形成脱层。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 风力机磨损研究现状
        1.2.2 气固两相流研究现状
    1.3 本文主要工作内容
第2章 基本理论
    2.1 翼型空气动力学特性
        2.1.1 升力系数
        2.1.2 阻力系数
        2.1.3 升阻比
    2.2 叶素理论
    2.3 CFD相关理论
        2.3.1 控制方程
    2.4 湍流模型
        2.4.1 Spalart-Allmaras（S-A）模型
        2.4.2 k-ε模型
        2.4.3 SSTk-ω模型
    2.5 气固两相流理论
        2.5.1 气固两相数值模拟
        2.5.2 两相流数值模拟常用数学模型
第3章 脱层深度对S809翼型气动性能的影响
    3.1 脱层几何模型的建立
    3.2 翼型网格划分
    3.3 边界条件设定
    3.4 计算结果分析
        3.4.1 脱层深度对翼型尾缘流场的影响
        3.4.2 脱层深度对翼型前缘流场的影响
        3.4.3 脱层深度对尾缘分离区的影响
        3.4.4 脱层深度对翼型气动性能的影响
    3.5 本章小结
第4章 脱层范围对翼型气动性能的影响
    4.1 脱层几何模型的建立
    4.2 脱层范围对翼型流场的影响
    4.3 脱层范围对翼型气动性能的影响
        4.3.1 脱层范围对翼型表面压力的影响
        4.3.2 脱层范围对翼型升阻力系数的影响
    4.4 本章小结
第5章 翼型磨损过程的模拟
    5.1 几何模型及数学模型
        5.1.1 研究对象
        5.1.2 磨损模型的构建
        5.1.3 初始条件和边界条件设置
    5.2 计算结果分析
    5.3 磨损翼型的流场分析
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

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本文编号：2881541