风力机非定常气动特性和流场的数值计算

发布时间：2020-11-16 19:32

　　 风力机复杂的工作环境包括大气边界层、湍流、风速和风向的瞬时变化及偏航等因素,使得其非定常气动特性的计算极具挑战性。随着大型风场的建立,风力机尾流以及相互之间干扰作用的研究也开始逐渐引起人们的重视。深入探索风力机流场的非定常空气动力学特性,对风力机优化设计、风电场优化布局以及风资源的高效利用十分重要。本文围绕风力机的非定常气动特性和流场特征开展了大量的数值模拟研究,主要有以下几方面内容:基于SST k-ω模型建立了改进部分平均湍流模型(SST-PANS),并提出了一种新的动态求解f_k的方法,该模型为雷诺平均方法(RANS)和直接数值模拟(DNS)的混合模型;实现了大涡模拟(LES)方法中的动态亚格子模型与基于涡量扰动方法的湍流入流边界条件的植入;对经典致动线模型进行了完善,完成了集整机叶片、机舱和塔架于一体的致动线方法(ALM),并与RANS、LES和PANS三种湍流模型耦合应用于尾流研究。基于RANS以及脱体涡模拟(DES)分别针对轴流和偏航状态的风力机气动力特性和近尾流区流场特征开展数值计算。结果表明,风力机在轴流和偏航状态的扭矩和推力的计算结果与风洞实验结果吻合度较高,与以往文献结果相比计算精度较大幅度提高。对比分析了轴流旋转状态下叶片截面翼型的升阻力特性与二维结果,给出了三维旋转效应造成的风力机叶片内区(叶根至60%R截面)翼型升力系数和阻力系数上升的变化规律。通过对比分析发现湍流模型对存在分离和失速状态的风力机非定常气动力计算精度影响较大,DES方法能较为准确地预测大风速偏航状态叶片内区的法向力和切向力的变化规律,给出与实验结果较为接近的动态失速迟滞环,而RANS方法则处于明显劣势。数值计算中还发现了偏航状态下机舱与风力机叶尖/根涡之间发生了相互干扰作用,并指出机舱在偏航风力机近尾流特性研究中的影响不可忽略。采用ALM-LES方法对风力机尾流进行了研究,探讨了不同入流条件下风力机的气动性能变化以及尾流的发展特性。研究表明ALM-LES方法能够较为准确和细致地描述风力机尾流场的涡系发展和湍流特征。对偏航状态风力机的气动性能以及尾流特征进行了细致地分析,给出了功率随偏航角的变化规律。偏航工况尾流偏斜现象随着偏航角增大或尖速比的增加而愈发明显。通过对偏航尾流的数值结果分析,发现偏航导致风力机尾流呈现强烈的三维不对称特性,尾流在风轮宽度方向产生的诱导不对称,使得尾流在宽度方向上风侧流管出现扭曲变形,在高度方向则呈现扩张和延展。风剪切效应导致风力机的功率输出下降,尾流在垂直方向也出现扭曲现象。对两台风力机之间的尾流干扰现象进行数值计算研究,首先采用ALM-LES方法,探索了不同布局方式和入流条件下尾流干扰对风力机输出功率和载荷的影响,并给出了尾流场的发展规律及湍流特征。研究发现,相对于风剪切以及高湍流强度入流风环境因素影响,风力机的排布方式对整体的风能利用率影响较大。当两台风力机尾流重叠范围越大、流向间距越小时,下游风力机受上游风力机尾流影响越严重,功率系数也越低。本文还针对大涡模拟方法中亚格子模型的适配性以及PANS和LES两种湍流方法对风力机尾流干扰计算的影响进行了对比。数值计算结果表明亚格子模型的选择对尾流的湍流特性的描述影响较小,PANS方法对于风力机功率、推力以及尾流场速度分布的计算结果与LES精度相当,但其方法简单且计算量较小,可广泛应用于风力机尾流的工程研究。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

SST-PANS计算流场中涡结构示意图（旋转强度swirlingStrength=10判据）

图 3.2 MEXICO 叶片几何外形和翼型组成示意图[144]图 3.3 MEXICO 风力机叶片弦长和扭角分布曲线[144]MEXICO 风洞实验采用了先进测量手段获得了不同条件下风力机的气动载荷及流场数风轮整体力和力矩、叶片典型截面的压力分布以及流场中的速度分布和尾流叶尖涡等体的力和力矩通过安装在塔架底部的六分量天平进行测量，叶片在五个典型径向位置上布置了共 148 个 Kulite 压力传感器，通过实时测量叶片截面的压力变化获得叶片截

MEXICO风力机叶片弦长和扭角分布曲线
【参考文献】

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本文编号：2886572