极端风况下风力机的动态失速研究
发布时间：2021-10-13 16:28
根据IEC标准与GL准则定义极端风速模型对某1.5 MW的水平轴风力机进行数值模拟计算,研究极端风况下风轮转矩、空气动力系数等的变化规律.研究发现,风力机在非稳态工况下运行时,高风速时风轮的转矩与低风速时风轮的转矩变化规律相比有明显差异,叶根到叶尖产生不同程度的失速.在风速增大和减小的不同过程中,非稳态工况下风轮转矩、升力系数和阻力系数随攻角的变化有显著地差别,叶轮的升力系数和阻力系数的最大值均高于稳态下的系数.
【文章来源】：兰州理工大学学报. 2019,45(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１极端运行阵风模型
择与网格划分采用某１．５ＭＷ风力机进行数值模拟计算，风轮直径８３ｍ，额定风速１０．４ｍ／ｓ，额定转速１７．２ｒ／ｍｉｎ，轮毂高度６５ｍ，叶片截面翼型为ＮＨ０２ＸＸ．选择风轮的１／３区域作为计算域并在对称边界设置周期性边界条件．内部旋转域采用非结构网格，外域选用结构化网格，在Ｆｌｕｅｎｔ中缝合处理以使ｉｎｔｅｒｆａｃｅ界面处的数据进行正常的传输，网格数总计９００万．采用３２核处理器与２５６Ｇ内存的服务器进行数值计算．三维计算区域如图２所示．图１极端运行阵风模型Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｏｆｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｇｕｓｔ图２三维计算区域模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆ３－Ｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ１．２．２边界条件设置在进行数值模拟计算时，湍流模型采用ＳＳＴｋ－ω模型，进口为速度入口，出口为压力出口，叶片和轮毂表面均为黏性无滑移边界，计算域绕ｙ轴旋转，设定转速为恒值１７．２ｒ／ｍｉｎ．动量和湍动能均选择二阶迎风格式进行离散，压力－速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．假设在标准大气压下进行，空气为理想气体，忽略重力影响．所选择的边界条件均经过验证，符合本次数值计算的要求．对于非稳态情况，选取叶轮每转３°为一个时间步长，根据叶轮的额定转速得到时间步长Δｔ＝０．０２９０６９７７ｓ．选取低湍流强度值，即Ｉ＝０．１６．通过ＵＤＦ给定极端运行阵风工况作为入口边界条件，进行非定常计算．对于稳态情况，选取极端运行阵风的不同时刻对应的风速作为入口边界条件，其他边界条件不变，进行定常计算．２模拟结果与分析风力机中叶
ｌ与Ｃｄ的定义式为Ｃｌ＝２ＦｌρＳｖ２（３）Ｃｄ＝２ＦｄρＳｖ２（４）式中：ｖ为风速；ρ为空气密度；Ｓ为风轮扫掠面积．阻力作用在风轮上会产生轴向转矩Ｍ，根据叶素理论，转矩为Ｍ＝∫ｒ０１２ρｗ２ＮｃＣｙｒｄｒ（５）Ｃｙ＝Ｃｌｓｉｎφ－Ｃｄｃｏｓφ（６）式中：ρ为空气密度；ｗ为相对速度；Ｎ为叶片数；ｃ为弦长；φ为相对风向角；ｒ为风轮半径．２．１风轮转矩分析图３ａ给出了风轮在极端运行阵风下风轮的转矩、风速随时间变化的曲线．从图中可以看出，当时图３极端运行阵风转矩变化的曲线Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｏｒｑｕｅｖｓｔｉｍｅｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒ－ａｔｉｎｇｇｕｓｔ间在ａ点之前和ｂ点之后这两个时间段时，不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势接近．而在ａ～ｂ时间段，不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势有较大差别．通过观察图３ｂ，可以更加直观地反映转矩随风速变化的规律．ｃ点对应的风速为８．０４６３ｍ／ｓ，ｄ点对应的风速为１１．６５６８ｍ／ｓ，ｅ点对应的风速为１５．８３４６ｍ／ｓ．当风速在ｃ、ｄ之间时，无论在风速增大还是减小过程，转矩Ｍ在四个风速变化阶段差异很小；当风速在ｄ、ｅ之间时，对比风速增大和减小两个过程的转矩，发现两个阶段风轮转矩差值较大．这是由于风力机动态失速和风轮的三维旋转效应导致的．２．２叶片截面流动特性及压力当风速ｖ＝１５．８６７６ｍ／ｓ，为解释上述失速情况，选取叶片展向的
【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析[J]. 赵荣珍,芦颉,苏利营. 兰州理工大学学报. 2016(06)
[2]强阵风条件下风电机组钢-混凝土塔架瞬态响应分析[J]. 曹莉,孙文磊,周建星. 可再生能源. 2015(07)
[3]立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析[J]. 刘占芳,颜世军,张凯,邓智春. 太阳能学报. 2012(02)
[4]旋翼翼型非定常动态失速响应的计算[J]. 宋辰瑶,徐国华. 空气动力学学报. 2007(04)
[5]水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究[J]. 陈旭,郝辉,田杰,杜朝辉. 太阳能学报. 2003(06)
硕士论文
[1]极端风况下水平轴风力机的非定常气动特性研究[D]. 刘恒.兰州理工大学 2016
本文编号：3434999
【文章来源】：兰州理工大学学报. 2019,45(03)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１极端运行阵风模型
择与网格划分采用某１．５ＭＷ风力机进行数值模拟计算，风轮直径８３ｍ，额定风速１０．４ｍ／ｓ，额定转速１７．２ｒ／ｍｉｎ，轮毂高度６５ｍ，叶片截面翼型为ＮＨ０２ＸＸ．选择风轮的１／３区域作为计算域并在对称边界设置周期性边界条件．内部旋转域采用非结构网格，外域选用结构化网格，在Ｆｌｕｅｎｔ中缝合处理以使ｉｎｔｅｒｆａｃｅ界面处的数据进行正常的传输，网格数总计９００万．采用３２核处理器与２５６Ｇ内存的服务器进行数值计算．三维计算区域如图２所示．图１极端运行阵风模型Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｏｆｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｇｕｓｔ图２三维计算区域模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆ３－Ｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ１．２．２边界条件设置在进行数值模拟计算时，湍流模型采用ＳＳＴｋ－ω模型，进口为速度入口，出口为压力出口，叶片和轮毂表面均为黏性无滑移边界，计算域绕ｙ轴旋转，设定转速为恒值１７．２ｒ／ｍｉｎ．动量和湍动能均选择二阶迎风格式进行离散，压力－速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．假设在标准大气压下进行，空气为理想气体，忽略重力影响．所选择的边界条件均经过验证，符合本次数值计算的要求．对于非稳态情况，选取叶轮每转３°为一个时间步长，根据叶轮的额定转速得到时间步长Δｔ＝０．０２９０６９７７ｓ．选取低湍流强度值，即Ｉ＝０．１６．通过ＵＤＦ给定极端运行阵风工况作为入口边界条件，进行非定常计算．对于稳态情况，选取极端运行阵风的不同时刻对应的风速作为入口边界条件，其他边界条件不变，进行定常计算．２模拟结果与分析风力机中叶
ｌ与Ｃｄ的定义式为Ｃｌ＝２ＦｌρＳｖ２（３）Ｃｄ＝２ＦｄρＳｖ２（４）式中：ｖ为风速；ρ为空气密度；Ｓ为风轮扫掠面积．阻力作用在风轮上会产生轴向转矩Ｍ，根据叶素理论，转矩为Ｍ＝∫ｒ０１２ρｗ２ＮｃＣｙｒｄｒ（５）Ｃｙ＝Ｃｌｓｉｎφ－Ｃｄｃｏｓφ（６）式中：ρ为空气密度；ｗ为相对速度；Ｎ为叶片数；ｃ为弦长；φ为相对风向角；ｒ为风轮半径．２．１风轮转矩分析图３ａ给出了风轮在极端运行阵风下风轮的转矩、风速随时间变化的曲线．从图中可以看出，当时图３极端运行阵风转矩变化的曲线Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｏｒｑｕｅｖｓｔｉｍｅｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｏｐｅｒ－ａｔｉｎｇｇｕｓｔ间在ａ点之前和ｂ点之后这两个时间段时，不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势接近．而在ａ～ｂ时间段，不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势有较大差别．通过观察图３ｂ，可以更加直观地反映转矩随风速变化的规律．ｃ点对应的风速为８．０４６３ｍ／ｓ，ｄ点对应的风速为１１．６５６８ｍ／ｓ，ｅ点对应的风速为１５．８３４６ｍ／ｓ．当风速在ｃ、ｄ之间时，无论在风速增大还是减小过程，转矩Ｍ在四个风速变化阶段差异很小；当风速在ｄ、ｅ之间时，对比风速增大和减小两个过程的转矩，发现两个阶段风轮转矩差值较大．这是由于风力机动态失速和风轮的三维旋转效应导致的．２．２叶片截面流动特性及压力当风速ｖ＝１５．８６７６ｍ／ｓ，为解释上述失速情况，选取叶片展向的
【参考文献】：
期刊论文
[1]风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析[J]. 赵荣珍,芦颉,苏利营. 兰州理工大学学报. 2016(06)
[2]强阵风条件下风电机组钢-混凝土塔架瞬态响应分析[J]. 曹莉,孙文磊,周建星. 可再生能源. 2015(07)
[3]立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析[J]. 刘占芳,颜世军,张凯,邓智春. 太阳能学报. 2012(02)
[4]旋翼翼型非定常动态失速响应的计算[J]. 宋辰瑶,徐国华. 空气动力学学报. 2007(04)
[5]水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究[J]. 陈旭,郝辉,田杰,杜朝辉. 太阳能学报. 2003(06)
硕士论文
[1]极端风况下水平轴风力机的非定常气动特性研究[D]. 刘恒.兰州理工大学 2016
本文编号：3434999
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