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综合Lagrangian动力大涡模拟与致动线法的风力机尾流数值模拟研究

钟宏民  
【摘要】:风力机尾流效应是影响风力机发电效率、转子疲劳寿命以及电网稳定性的重要因素,因此一直受到风能领域研究者的广泛关注。然而,风力机尾流是一种复杂的非定常湍流流动,并要受到风力机结构、运行状态、风场内风力机布局、地形地貌、大气边界层等诸多因素的影响,其机理至今尚不完全清楚,以至当前大多风力机及风场的设计不得不借助低精度的尾流工程经验模型。当前风力机发电机组具有大型化或超大型化的趋势,这将对风力机遭受的气动力及气-弹性问题提出更大的挑战,为此研究风力机尾流的高精度模型及尾流流动特性是非常必要的。本文提出一种基于致动线法(ALM)的Lagrangian动力大涡模拟(LES)模型,并运用该模型对MEXICO风力机转子近、远尾流的流动特性进行了详细的数值模拟研究。主要研究内容归纳如下:(1)提出一种专用于风力机尾流数值模拟的基于ALM的Lagrangian动力LES模型。由于风力机转子、塔、地形及大气等作用,风力机尾流往往是非均匀各向异性湍流。为此本文采用Lagrangian动力LES数值方法,以更好地求解非均匀各向异性湍流。另外,如果完全求解风力机转子的边界层,其计算量将相当大,从而不利于工程应用。因此本文引入基于叶栅动量理论(BEM)的ALM以等效风力机转子边界层对尾流的影响。(2)引入Prandtl–Glauert叶根/叶尖校正模型及Snel等提出的三维旋转修正模型。基于BEM的ALM模型通常在有限长叶片的叶尖及叶根处误差很大,为此引入Prandtl–Glauert叶根/叶尖校正模型以改善这种状况。此外,ALM模型要用到翼型升、阻力气动力数据表,但已有的翼型气动力数据是在二维翼型条件下测得的。而进一步的研究发现,实际的三维转子因受到离心力及科氏力的作用会导致实际转子的翼型气动力数据与二维翼型气动力数据相差甚大,因此本文引入Snel等提出的三维旋转修正模型以改善这一问题。(3)引入Shives等提出的有关Gaussian光顺函数中长度尺度因子的选择方法。按照传统方法,ALM模型中Gaussian光顺函数长度尺度因子的选择主要依赖转子区域网格的大小,但在实际模拟中,转子区域网格大小的确定往往非常困难。Shives等提出的方法把长度尺度因子与有物理意义的叶片局部弦长以及转子区域的网格大小关联起来,这极大地方便了ALM模型中Gaussian光顺函数长度尺度因子的选择及转子区域网格的划分。(4)根据本文模型对风力机近尾流进行了详细研究。这部分研究的目的有两个,一是验证本文提出的风力机尾流模型的有效性;二则是借助该模型研究风力机近尾流的流动特性。具体工作针对MEXICO转子进行,考虑了三个典型的风力机工况,即湍流尾流状态工况、设计条件工况及失速条件工况。首先模拟得到三种工况条件下的功率系数、时间平均轴向速度的展向及流向分布;然后与MEXICO实验数据比较,验证了模型的有效性。最后利用本文模型对风力机近尾流涡及湍流强度等特性进行了详细研究。(5)根据本文模型对风力机远尾流进行了详细研究。该部分工作也是在三种工况条件下进行的,分别对轴向时间平均速度与湍流强度的展向分布、远尾流涡的相干结构及稳定性、以及雷诺应力(六个分量)进行了数值模拟分析。模拟结果表明,远尾流与近尾流有明显的不同,如远尾流中存在速度亏损的恢复、湍流强度的保持、远尾流区域的扩展等现象,而且这些特征与尖速比的大小有关。同时发现尾流涡系统的螺旋不稳定特性是影响雷诺应力分布的一个重要因素,进而会影响湍流强度的分布。


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