水平轴风力机尾流场及其气动性能的研究

【摘要】风能作为一种无污染的、清洁的可再生能源,已得到各个国家的广泛关注。随着现代工业的快速发展,对风能的大力开发已经成为解决能源危机、环境问题和经济可持续发展的重要举措。近年来随着海上风电的蓬勃发展,风力机大型化已经成为发展的主流。叶片长度的增加使风力机的尾迹流场更加复杂、气动性能的预测难度加大。因此对大型风力机的尾流场及其气动性能的研究,为进一步了解风力机组在运行时的状态以及对新机组的设计研发有着重要意义。本论文中主要针对某商用的1.5MW标准等级的水平轴风力机进行研究。按照该水平轴风力机的参数进行三维建模和建立风轮的计算模型,在三种不同风速条件下对风轮的尾流场和气动性能的影响进行描述和比较,并在计算过程中对残差值和扭矩值进行监测。为了能够更好的描述风轮在旋转时的气动特性,分别选取吸力面和压力面上的压力场及速度场进行对比分析,并选取沿翼展方向三个不同截面周围流场的压力和速度做了分析。以相似理论为基础,将1.5MW水平轴风力机的各个参数用风力机气动相似准则和相似函数关系式进行缩比,建立相应的数值计算模型。保持雷诺数和叶尖速比不变,通过对叶片和尾迹流场中的压力、速度等参数进行分析,验证了气动相似准则和相似函数关系式在实际应用中的正确性。最后用Fluent软件将计算得到的流场中不同断面处的速度值与实验测量值进行比较分析,对模型的正确性和实验的合理性进行评析。结果表明：当叶轮处于旋转状态时,叶片上压力面靠近前缘处具有高压,而在吸力面上靠近前缘处存在低压区；随着来流风速的增大,叶片上压力面和吸力面在前缘处的压力差越大；通过对比发现,当保持雷诺数和叶尖速不变时,在相同的来流风速下两个模型在叶片上的压力和速度分布总体趋势一致,差别不是很大；将计算结果与实验值比较后能够得出在风轮下游3D处实测值与模拟值之间的拟合度较好,随着风轮后轴向距离的增大实测值和模拟值之间总体发展趋势致,差异比较明显(主要是指各断面上风轮轮扫面积内)。希望通过本文对水平轴风力机的数值研究能够为风力机尾流场和气动力学仿真的研究工作提供一定的基础,并且希望本论文中的研究思路能为后续做水平轴风力机数值模拟的研究者起到一定的参考作用。
【作者】张昇龙；
【导师】杨瑞；
【作者基本信息】兰州理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】风能；水平轴风力机；尾流场；气动性能；

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