發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 19:32

　　 風(fēng)力機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境包括大氣邊界層、湍流、風(fēng)速和風(fēng)向的瞬時(shí)變化及偏航等因素,使得其非定常氣動(dòng)特性的計(jì)算極具挑戰(zhàn)性。隨著大型風(fēng)場的建立,風(fēng)力機(jī)尾流以及相互之間干擾作用的研究也開始逐漸引起人們的重視。深入探索風(fēng)力機(jī)流場的非定�？諝鈩�(dòng)力學(xué)特性,對風(fēng)力機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)電場優(yōu)化布局以及風(fēng)資源的高效利用十分重要。本文圍繞風(fēng)力機(jī)的非定常氣動(dòng)特性和流場特征開展了大量的數(shù)值模擬研究,主要有以下幾方面內(nèi)容:基于SST k-ω模型建立了改進(jìn)部分平均湍流模型(SST-PANS),并提出了一種新的動(dòng)態(tài)求解f_k的方法,該模型為雷諾平均方法(RANS)和直接數(shù)值模擬(DNS)的混合模型;實(shí)現(xiàn)了大渦模擬(LES)方法中的動(dòng)態(tài)亞格子模型與基于渦量擾動(dòng)方法的湍流入流邊界條件的植入;對經(jīng)典致動(dòng)線模型進(jìn)行了完善,完成了集整機(jī)葉片、機(jī)艙和塔架于一體的致動(dòng)線方法(ALM),并與RANS、LES和PANS三種湍流模型耦合應(yīng)用于尾流研究。基于RANS以及脫體渦模擬(DES)分別針對軸流和偏航狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力特性和近尾流區(qū)流場特征開展數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明,風(fēng)力機(jī)在軸流和偏航狀態(tài)的扭矩和推力的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高,與以往文獻(xiàn)結(jié)果相比計(jì)算精度較大幅度提高。對比分析了軸流旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片截面翼型的升阻力特性與二維結(jié)果,給出了三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)區(qū)(葉根至60%R截面)翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)上升的變化規(guī)律。通過對比分析發(fā)現(xiàn)湍流模型對存在分離和失速狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)力計(jì)算精度影響較大,DES方法能較為準(zhǔn)確地預(yù)測大風(fēng)速偏航狀態(tài)葉片內(nèi)區(qū)的法向力和切向力的變化規(guī)律,給出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近的動(dòng)態(tài)失速遲滯環(huán),而RANS方法則處于明顯劣勢。數(shù)值計(jì)算中還發(fā)現(xiàn)了偏航狀態(tài)下機(jī)艙與風(fēng)力機(jī)葉尖/根渦之間發(fā)生了相互干擾作用,并指出機(jī)艙在偏航風(fēng)力機(jī)近尾流特性研究中的影響不可忽略。采用ALM-LES方法對風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行了研究,探討了不同入流條件下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能變化以及尾流的發(fā)展特性。研究表明ALM-LES方法能夠較為準(zhǔn)確和細(xì)致地描述風(fēng)力機(jī)尾流場的渦系發(fā)展和湍流特征。對偏航狀態(tài)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能以及尾流特征進(jìn)行了細(xì)致地分析,給出了功率隨偏航角的變化規(guī)律。偏航工況尾流偏斜現(xiàn)象隨著偏航角增大或尖速比的增加而愈發(fā)明顯。通過對偏航尾流的數(shù)值結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)偏航導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)尾流呈現(xiàn)強(qiáng)烈的三維不對稱特性,尾流在風(fēng)輪寬度方向產(chǎn)生的誘導(dǎo)不對稱,使得尾流在寬度方向上風(fēng)側(cè)流管出現(xiàn)扭曲變形,在高度方向則呈現(xiàn)擴(kuò)張和延展。風(fēng)剪切效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的功率輸出下降,尾流在垂直方向也出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象。對兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)之間的尾流干擾現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究,首先采用ALM-LES方法,探索了不同布局方式和入流條件下尾流干擾對風(fēng)力機(jī)輸出功率和載荷的影響,并給出了尾流場的發(fā)展規(guī)律及湍流特征。研究發(fā)現(xiàn),相對于風(fēng)剪切以及高湍流強(qiáng)度入流風(fēng)環(huán)境因素影響,風(fēng)力機(jī)的排布方式對整體的風(fēng)能利用率影響較大。當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流重疊范圍越大、流向間距越小時(shí),下游風(fēng)力機(jī)受上游風(fēng)力機(jī)尾流影響越嚴(yán)重,功率系數(shù)也越低。本文還針對大渦模擬方法中亞格子模型的適配性以及PANS和LES兩種湍流方法對風(fēng)力機(jī)尾流干擾計(jì)算的影響進(jìn)行了對比。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明亞格子模型的選擇對尾流的湍流特性的描述影響較小,PANS方法對于風(fēng)力機(jī)功率、推力以及尾流場速度分布的計(jì)算結(jié)果與LES精度相當(dāng),但其方法簡單且計(jì)算量較小,可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)尾流的工程研究。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

SST-PANS計(jì)算流場中渦結(jié)構(gòu)示意圖（旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度swirlingStrength=10判據(jù)）

圖 3.2 MEXICO 葉片幾何外形和翼型組成示意圖[144]圖 3.3 MEXICO 風(fēng)力機(jī)葉片弦長和扭角分布曲線[144]MEXICO 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)采用了先進(jìn)測量手段獲得了不同條件下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷及流場數(shù)風(fēng)輪整體力和力矩、葉片典型截面的壓力分布以及流場中的速度分布和尾流葉尖渦等體的力和力矩通過安裝在塔架底部的六分量天平進(jìn)行測量，葉片在五個(gè)典型徑向位置上布置了共 148 個(gè) Kulite 壓力傳感器，通過實(shí)時(shí)測量葉片截面的壓力變化獲得葉片截

MEXICO風(fēng)力機(jī)葉片弦長和扭角分布曲線
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2886572