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垂直轴风力机非定常空气动力特性数值模拟分析

雷航  
【摘要】:随着全球能源短缺与环境恶化等战略问题的日益突显,寻求可再生能源替代煤、石油等化石能源来发电已经成为必然趋势。风能作为清洁且易于获取的可再生能源,在世界范围受到广泛重视。风力发电机是风能资源开发利用的核心装备,解决风力机相关基础科学问题与技术难题是支撑风电发展的关键。过去几十年,水平轴风力机技术得到快速发展,而垂直轴风力机一度竞争劣势,但随着对其独特优势的深化认识,它又重新获得关注。目前,垂直轴风力机研发面临一些技术瓶颈,其中包括风力机空气动力学特性。认识风力机的气动特性是进行叶片优化设计、性能提升和风电场优化布局的前提。本文将系统研究其关键气动特性、漂浮式平台运动的影响及风力机尾迹特性等。本文以海上漂浮式垂直轴风力机为对象,基于改进延迟分离涡模拟(IDDES)的计算流体动力学(CFD)方法与滑移网格/重叠网格技术相结合,系统地研究固定基础与漂浮式垂直轴风力机的非定常空气动力荷载、功率性能和尾迹特性等关键空气动力学问题,以期为垂直轴风力机的设计计算和优化,垂直轴风力机风电场合理布局提供理论依据和技术支撑。本文主要工作与特色创新包括:(1)建立了基于IDDES模型和多面体网格技术的H型垂直轴风力机三维气动性能CFD数值模型,获得了H型垂直轴风力机的功率系数、尾迹速度、叶片表面压力系数及涡量等关键气动参数与流动信息。考虑了雷诺时均方法中的SST k-ω模型,将基于IDDES模型与SST k-ω模型计算所得的风轮功率系数、尾迹速度与风洞试验结果进行比较分析,发现IDDES模型在大、小叶尖速比情况下均可获得更精确的模拟结果。基于数值模拟分析,提出把叶片周围流动分为:附着流、部分发展流动分离和完全发展流动分离三类流动状态。研究发现流动分离发生后,IDDES模型可捕获到叶片周围更为精细的漩涡结构,尤其是在部分发展流动分离发生的情形。阐明了不同湍流模型的特性对风力机气动荷载、涡量和风轮性能预测的影响机制。指出基于IDDES模型的CFD方法是分析垂直轴风力机气动特性的可靠方法。(2)基于IDDES方法与重叠网格技术,建立了不同湍流强度来流下双垂直轴风力机的CFD模型,研究了垂直轴风力机在不同环境湍流下的气动性能及其尾迹特性。采用切割体网格结构对CFD计算模型进行网格拓扑结构的划分,有效地控制加密区的网格尺寸,提高了气动荷载和流场速度的预测精度。分析了单个风力机在不同来流速度与湍流强度下的功率系数、尾迹轮廓及尾迹结构,研究了沿来流前后放置双风力机在不同间距和不同湍流强下的尾迹和功率相互影响的规律与机制。研究发现较高的湍流强度在较低的风速下明显降低风力机功率系数;尾迹区域H型风力机功率系数随着湍流强度的增大而提高;在不同湍流强度下,尾迹区域风力机功率系数随下风向区距离在3D~13D之间的增长而呈线性变化。指出产生这些现象的主要原因是环境湍流使尾迹区域受扰动的流动重新混杂,从而改变了原尾迹速度分布。(3)海上漂浮式垂直轴风力机在海洋风浪作用下浮式平台基础发生多自由度运动,其中纵摇运动和纵荡运动是最关键的运动形式。本文建立了直叶片垂直轴风力机浮式平台在周期性纵摇与风力机旋转叠加运动下的CFD数值模型。采用重叠网格技术,通过用户自定义函数赋予重叠区域网格的周期性纵摇运动,实现了风力机的纵摇运动与旋转运动。分析了纵摇运动下垂直轴风力机气动荷载及与流动相互作用的机制,研究了不同周期与振幅的纵摇运动下风力机气动荷载及功率系数的变化规律。研究发现纵摇运动提高了风轮功率系数,功率系数随纵摇周期的降低和纵摇振幅的增大而提高;纵摇运动的诱导速度加剧了叶片-气流的相互作用,引起叶片表面压力系数分布的显著改变;不同纵摇周期和纵摇振幅对风力机功率的稳定输出和平台稳性有不利影响。发现纵摇运动下来流速度、风轮扫风面积和未受扰动风速的改变是引起气动特性变化的主要原因。(4)研究了漂浮式垂直轴风力机在浮台周期性纵荡运动下的气动特性和功率性能。主要包括纵荡运动下风力机转矩、侧向力和推力以及叶片切向力、法向力的变化规律;纵荡运动下叶片压力系数的演变特征;风力机纵荡运动时与气流的相互作用特征;不同周期与振幅的纵荡运动对风力机功率的影响规律,阐述了产生这些变化的原因和流动机制。研究发现纵荡运动对垂直轴风力机的功率性能、风轮气动力及叶片气动荷载的影响明显。纵荡运动周期性地增强风力机叶片与气流之间的相互作用。(5)研究了浮式平台周期性纵摇与纵荡运动下的H型垂直轴风力机尾迹变化规律和演化机制。模拟计算了垂直轴风力机在有纵摇与无纵摇运动下尾迹速度和尾迹结构的变化特征;不同周期和振幅纵摇运动下的风力机尾迹结构演化规律;有纵荡和无纵荡下的尾迹速度和尾迹结构变化特征;纵荡运动的周期和振幅对尾迹结构的扰动规律。研究发现纵摇运动改变了H型风力机尾迹结构,尾迹主流区结构类似于一条横波;纵荡运动使尾迹传播与发展类似于一条纵波;浮台不同周期和振幅的纵摇与纵荡运动使得远场尾迹轮廓的变化更加复杂。本文对垂直轴风力机气动特性的研究,促进了对固定基础和漂浮式基础H型垂直轴风力机气动性能、气动荷载、尾迹形态及风场特性的认识,为垂直轴风力机的设计优化提供了理论分析方法与技术支撑。


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