基于相似理论水平轴风力机气动特性研究

【摘要】作为绿色环保可再生能源,风能的发展受到全世界的瞩目。风力机是利用风能资源的主要机械之一,并逐步朝着大型化趋势发展,但是由于环境因素、测量误差、计算资源等因素的制约,对水平轴风力机气动性能的预估往往经验不足,造成较大误差。由于针对风力机性能预测的风洞试验和外场试验经常遇到各种环境干扰因素,加之雷诺数效应的无法避免,影响到测试结果的准确性。为了解决上述问题,本文以流体力学中相似理论为基础,采用不同的近似模型方法,针对两叶片风力机进行三维定常流场计算。通过对比近似模型计算结果,从叶片表面流动特性和力特性进行分析,得到最适合风力机相似计算的近似模型方法。在此近似模型法的基础上,计算了最佳缩比率的适用范围。进而通过三叶片的大型风力机数值计算进行验证,结果表明各个工况下的模型风力机叶片表面流动特性及载荷特性与原型保持相似。整个研究过程加强了对风力机空气动力学的理解,且将相似理论与空气动力学相互柔和,形成一套较完整的风力机相似理论数值计算方法,总结如下：(1)通过两叶片风力机数值计算结果可知仅满足几何相似和叶尖速比相等并不充分,尤其是在风力机运行过程中发生强烈流动分离时,计算结果与原型结果相差较大。采用弗劳德模型法和雷诺模型法对两叶片风力机几何缩比模型进行三维数值计算对比结果发现,雷诺模型法在满足雷诺相似准则和相关参数比例关系条件下,可有效的实现缩比模型和原型的叶片表面流动情况相似,并且换算得到的叶片表面压力系数、轴向力和扭矩的相对误差在2%以内,因此确定雷诺模型法为最适合风力机几何缩比模型研究的方案。在此研究结果基础之上,模型的几何缩比率范围控制在2.027%到10.135%之间,保证了模型与原型结果相对误差在5%之内。(2)将上述较完整的计算模型应用于三叶片大型风力机,通过多个相似工况的计算结果进行验证。研究表明运用雷诺模型法的模型与原型的风轮流动特性和力特性计算结果相似,平均相对误差保持在1.5%左右。说明针对大型三叶片风力机采用雷诺模型法同样可以在缩比条件下有效且准确的反应其流动特性,对大型风力机气动性能预测有较高的可靠性。(3)根据两叶片模型计算结果,研究了雷诺模型法对雷诺数、湍流粘度以及叶片法向力系数和切向力系数的影响,得到以下结论：雷诺模型法通过相似换算,有效地将小尺寸风力机模型的雷诺数提升到与原型相同的数量级上,即保证了几何、运动相似关系,同时也满足雷诺相似准则。通过对比湍流粘度,发现采用雷诺模型法的模型,在涡流较强烈的区域,具有较高的湍流粘度；在流动较为平缓的情况下,其湍流粘度比在未改变粘度的试验条件下要偏低。并且雷诺数模型法对叶片法向力系数和切向力系数的影响有一定规律性：在相同几何缩比率的条件下,采用雷诺模型法计算所得法向力系数以及切向力系数比未采用该方法计算所得结果偏低。
【作者】刘姝君；
【导师】李仁年；
【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】风力机；气动特性；相似理论；数值计算；弗劳德模型法；雷诺模型法；

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