风力机非定常气动特性及优化设计研究

发布时间：2018-04-28 07:23

  本文选题：风力机 + 复杂来流　； 参考：《大连理工大学》2017年博士论文

【摘要】：风力机叶片的优化设计主要是采用动量-叶素理论方法。该方法具有计算过程简单、求解速度快等优点,但是设计的气动性能与实际运行的气动性能存在一定的偏差。同时,在大气环境下,风切变、阵风和大气湍流等来流因素导致叶片扰流流场是非定常的。在本文中,建立了风力机叶片的三维计算模型,采用数值模拟方法对Phase Ⅵ风力机叶片的流场进行了数值计算,并将数值计算的结果与NREL UAE风洞实验的结果进行了详细的对比和分析。数值模拟的结果与实验结果基本吻合,并开展了以下研究:研究了均匀、风切变和阵风等来流对风力机气动特性的影响,定量分析了风力机的近尾迹流动特性。在均匀来流下,叶轮的扭矩呈周期性变化。风力机近尾迹流动特性受到旋转叶片的强烈影响,并形成明显的轴向速度亏损,这种亏损随着流体向下游流动逐渐减弱。在近尾迹区域,流体的轴向诱导因子、切向诱导因子和径向速度受到风切变指数的影响,特别是径向速度。在叶片尖部的近尾迹区域,涡流诱导效应导致了较高的轴向速度梯度。在阵风作用下,叶轮的扭矩曲线基本与风速轮廓曲线保持一致。研究结果表明,动量-叶素理论方法设计的风力机叶片未达到最佳的气动性能。采用模式算法与遗传算法的混合算法改进了 Kriging代理模型,并对改进的Kriging代理模型进行了预测精度测试。将代理模型方法与CFD方法相结合,对WindPACT 1.5MW风力机叶片进行了几何外形优化。优化后,截面翼型的当地扭角均有所减小,风力机的扭矩提升了约为3.45%.现有的预弯方法获得的风力机叶片,在一定程度上损失了叶片的输出功率。在本文中,以Kriging代理模型为基础,提出了一种风力机叶片预弯方法,预弯后叶片的输出功率略有增加。研究了涡流发生器对翼型S809气动特性的影响,从流体动能传递和涡系运动轨迹方向,揭示了涡流发生器对翼型边界层流动分离的控制机理,对升阻力系数、x方向速度和涡量等参数进行了定量分析,并考虑涡流发生器弦向位置的影响。涡流发生器合理地布置在翼型吸力面前端,可以有效地提升翼型的升力系数,推迟失速现象的出现,增大失速攻角。涡流发生器卷起的涡系使外流区与边界层进行动能的交换,从而有效地控制翼型边界层的流动分离。涡系随流体向下游流动过程中,逐渐融合到翼型边界层中,直到浸没到整个边界层。研究了双排顺列的涡流发生器对翼型边界层的控制机理,该布置可以进一步增大升力系数和翼型的失速攻角。最后,将涡流发生器应用到Phase Ⅵ失速型风力机叶片上,采用合理的涡流发生器布置方法,使叶轮的扭矩在一定风速范围内基本保持不变。
[Abstract]:The optimal design of wind turbine blade is mainly based on momentum-leaf element theory. This method has the advantages of simple calculation process and fast solution speed, but there is a certain deviation between the aerodynamic performance of the design and that of the actual operation. At the same time, in the atmospheric environment, the wind shear, gust and atmospheric turbulence factors lead to the blade turbulence flow field is unsteady. In this paper, the three-dimensional model of wind turbine blade is established, and the flow field of Phase 鈪，

本文编号：1814330