水平轴风力机翼型非定常气动特性研究
发布时间：2021-04-12 21:31
风力机叶片的气动性能是研制高水平风力机的关键因素,对其气动特性的准确预测和对相关流动的有效控制是提升研制能力的两个重要方面。在气动性能预测方面,翼型作为风力机叶片的基本组成要件,其气动模型的预测精度（尤其在非定常工况下）直接影响到风力机整体气动性能的预测结果。由于工程应用中预测模型对计算时间方面的需求,建立准确和高效的风力机翼型气动模型可以为风力机叶片气动特性的预测提供理论基础。叶尖涡是水平轴风力机的主要三维流动结构,对风力机的输出功率、噪声水平和疲劳载荷等具有重要影响,工程应用中希望能获得有效控制叶尖涡的方法。本文首先通过数值计算获得了风力机动态失速工况的流场,采用模态分解的方法进一步分析绕翼非定常流场。其次基于数值计算结果,利用降阶模型建立了风力机翼型非定常气动模型,为提高风力机的设计和优化能力提供理论支持。最后针对流动控制问题,通过PIV技术测量探究了叶尖导流管结构对风力机叶尖流动的控制效果,并利用实验和数值数据分析阐述其流动机理,为该方法在风力机中的运用提供了理论与数据支持。本文具体内容如下:1.采用数值计算方法,基于带转捩修正的k-o SST湍流模型以及滑移网格技术,对作周期...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１中国风电发展示意图问??Ｆｉｇ．?１．１?Ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?Ｃｈｉｎａ［３ｊ??
当风流过风力机风轮平面时，风轮旋转。风的动能转移到风轮上，风的动能??减少，风速下降，而此时未经过风轮圆盘范围的空气将不会受到影响。为了使简??化模型，仅考虑流经风轮圆盘部分来流空气，即可得流管模型。如图１．２所示，??其中风轮旋转平面又可称为制动盘或激盘。上游来流速度为％，由于风轮旋转的??影响，风在流经风轮圆盘前压力增大速度减小为ｔ／２。风轮从风中获取动能，导致??圆盘后静压为负，风速为ｆ／３。由于速度下降，尾流部分空气膨胀，横截面积变大。??同时气体静压上升，直到恢复到自由来流压力，速度不再变化为ｉ／４。??Ｉ??Ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｕ，?！?ｕ２?ｕ３??ｉ?｜?；?ｉ??ｉ?１?ｉ?ｉ??１?２?３?４??图１．２动量理论示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｔｈｅｏｒｙ??由于风轮上游和下游没有做功现象，所以可以在制动盘两侧应用伯努利方程。??又因为制动盘两侧速度相等即（／２?＝?（／３。可以得到：??（ｉ－ｉ）??如果定义一个轴流诱导因子ａ来衡量来流方向流速降低程度，其表达式为??ａ?＝?＾?（１－２）??则对于一个理想状态下的风力机
１．２．１．２叶素动置理论??风力机叶片上受力分析可以转化为升力及阻力系数以及攻角之间的关系，如??图１．３所示，在叶片受力分析中，可以将叶片沿翼展方向分为Ｎ段，并对其进行??以下假设：１、每段叶素处在相应的流环之中，没有翼展方向气流，流环之间流??动不相互影响，故叶素之间没有气动力的影响。２、在每个叶素上的作用力仅由??其翼型的升力及阻力特性来决定。??１）??图１．３叶素示意图［７］??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂｌａｄｅ?ｅｌｅｍｅｎｔ！７１??需要注意在以上的描述中，没有考虑到制动盘后气流会出现旋转的情况。而??实际情况下，当气流流经风轮制动盘时，制动盘受到来流空气的作用产生转矩，??以角速度ｎ旋转，从而获得动能；相反，来流空气也受到制动盘的反作用力，向??相反方向离开制动盘，定义该切向速度分量为ｕｔ。如此就能定义切向流动诱导因??子ａｆ为：??ａ＇?＝?＾￣?（１－５）??Ｏｒ??通过以上假设，在分析叶片受力分析时，即可将三维叶片模型转化为二维模??型
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究[J]. 高翔,胡骏,王志强. 航空动力学报. 2014(08)
[2]S系列新翼型风力机叶尖近尾迹区域流场数值计算与分析[J]. 代元军,汪建文,吴伟民,张立茹,赵宏宇. 太阳能学报. 2014(02)
[3]瞬变工况风力机气动性能预测[J]. 沈昕,俞国华,竺晓程,杜朝辉. 上海交通大学学报. 2013(03)
[4]基于非线性升力面方法的风力机尾迹数值模拟[J]. 仇永兴,康顺. 工程热物理学报. 2012(12)
[5]基于本征正交分解和代理模型的流场预测方法[J]. 邱亚松,白俊强,华俊. 航空学报. 2013(06)
[6]S型叶尖小翼对风力机流场特性影响的研究[J]. 张立茹,汪建文,于海鹏,由志刚,高志鹰. 工程热物理学报. 2012(05)
[7]非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望[J]. 陈刚,李跃明. 力学进展. 2011(06)
[8]风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法[J]. 张震宇. 南京航空航天大学学报. 2011(05)
[9]风力机叶尖涡的数值模拟[J]. 钟伟,王同光. 南京航空航天大学学报. 2011(05)
[10]风力机翼型气动计算的降阶模型研究[J]. 汪仲夏,刘磊,徐宇,徐建中. 工程热物理学报. 2011(09)
博士论文
[1]水平轴风力机叶片失速问题研究[D]. 俞国华.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]大型飞机机翼增升减阻技术研究[D]. 宗昕.南京航空航天大学 2012
本文编号：3134017
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１中国风电发展示意图问??Ｆｉｇ．?１．１?Ｗｉｎｄ?ｐｏｗｅｒ?ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?Ｃｈｉｎａ［３ｊ??
当风流过风力机风轮平面时，风轮旋转。风的动能转移到风轮上，风的动能??减少，风速下降，而此时未经过风轮圆盘范围的空气将不会受到影响。为了使简??化模型，仅考虑流经风轮圆盘部分来流空气，即可得流管模型。如图１．２所示，??其中风轮旋转平面又可称为制动盘或激盘。上游来流速度为％，由于风轮旋转的??影响，风在流经风轮圆盘前压力增大速度减小为ｔ／２。风轮从风中获取动能，导致??圆盘后静压为负，风速为ｆ／３。由于速度下降，尾流部分空气膨胀，横截面积变大。??同时气体静压上升，直到恢复到自由来流压力，速度不再变化为ｉ／４。??Ｉ??Ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｕ，?！?ｕ２?ｕ３??ｉ?｜?；?ｉ??ｉ?１?ｉ?ｉ??１?２?３?４??图１．２动量理论示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｔｈｅｏｒｙ??由于风轮上游和下游没有做功现象，所以可以在制动盘两侧应用伯努利方程。??又因为制动盘两侧速度相等即（／２?＝?（／３。可以得到：??（ｉ－ｉ）??如果定义一个轴流诱导因子ａ来衡量来流方向流速降低程度，其表达式为??ａ?＝?＾?（１－２）??则对于一个理想状态下的风力机
１．２．１．２叶素动置理论??风力机叶片上受力分析可以转化为升力及阻力系数以及攻角之间的关系，如??图１．３所示，在叶片受力分析中，可以将叶片沿翼展方向分为Ｎ段，并对其进行??以下假设：１、每段叶素处在相应的流环之中，没有翼展方向气流，流环之间流??动不相互影响，故叶素之间没有气动力的影响。２、在每个叶素上的作用力仅由??其翼型的升力及阻力特性来决定。??１）??图１．３叶素示意图［７］??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｂｌａｄｅ?ｅｌｅｍｅｎｔ！７１??需要注意在以上的描述中，没有考虑到制动盘后气流会出现旋转的情况。而??实际情况下，当气流流经风轮制动盘时，制动盘受到来流空气的作用产生转矩，??以角速度ｎ旋转，从而获得动能；相反，来流空气也受到制动盘的反作用力，向??相反方向离开制动盘，定义该切向速度分量为ｕｔ。如此就能定义切向流动诱导因??子ａｆ为：??ａ＇?＝?＾￣?（１－５）??Ｏｒ??通过以上假设，在分析叶片受力分析时，即可将三维叶片模型转化为二维模??型
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究[J]. 高翔,胡骏,王志强. 航空动力学报. 2014(08)
[2]S系列新翼型风力机叶尖近尾迹区域流场数值计算与分析[J]. 代元军,汪建文,吴伟民,张立茹,赵宏宇. 太阳能学报. 2014(02)
[3]瞬变工况风力机气动性能预测[J]. 沈昕,俞国华,竺晓程,杜朝辉. 上海交通大学学报. 2013(03)
[4]基于非线性升力面方法的风力机尾迹数值模拟[J]. 仇永兴,康顺. 工程热物理学报. 2012(12)
[5]基于本征正交分解和代理模型的流场预测方法[J]. 邱亚松,白俊强,华俊. 航空学报. 2013(06)
[6]S型叶尖小翼对风力机流场特性影响的研究[J]. 张立茹,汪建文,于海鹏,由志刚,高志鹰. 工程热物理学报. 2012(05)
[7]非定常流场降阶模型及其应用研究进展与展望[J]. 陈刚,李跃明. 力学进展. 2011(06)
[8]风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法[J]. 张震宇. 南京航空航天大学学报. 2011(05)
[9]风力机叶尖涡的数值模拟[J]. 钟伟,王同光. 南京航空航天大学学报. 2011(05)
[10]风力机翼型气动计算的降阶模型研究[J]. 汪仲夏,刘磊,徐宇,徐建中. 工程热物理学报. 2011(09)
博士论文
[1]水平轴风力机叶片失速问题研究[D]. 俞国华.上海交通大学 2013
硕士论文
[1]大型飞机机翼增升减阻技术研究[D]. 宗昕.南京航空航天大学 2012
本文编号：3134017
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