湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響.pdf

1、隨著能源緊缺與大氣污染問題的日益突顯，風(fēng)能作為一種環(huán)保清潔的可再生能源，已經(jīng)快速發(fā)展成為當(dāng)前最具開發(fā)利用前景的能源之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)能開發(fā)利用中扮演著核心角色，然而，實(shí)際工作中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會受到風(fēng)的湍流擾動影響。因此，研究風(fēng)力機(jī)在湍流環(huán)境下的氣動特性十分必要。
　　本文以水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪縮比模型為研究對象，基于 CFD方法，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，針對風(fēng)力機(jī)的氣動特性進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬。首先，研究風(fēng)力機(jī)葉片表面流動特性及氣動性能隨

2、風(fēng)速變化的規(guī)律，分析 S-A湍流模型、RNG k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型對風(fēng)力機(jī)氣動特性的預(yù)測能力。然后，研究來流湍流強(qiáng)度對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響規(guī)律，對比不同湍流強(qiáng)度對風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響程度，并分析各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)氣動特性受湍流強(qiáng)度影響的敏感性。主要研究結(jié)果如下：
　　（1）隨著風(fēng)速的增大，葉片吸力面上的流動分離由后緣逐漸向前緣發(fā)展，且由葉根逐漸向葉尖發(fā)展，直到高風(fēng)速時(shí)覆蓋整個(gè)吸力面呈完全分離狀態(tài)，此時(shí)葉片周圍流

3、場的流動非常復(fù)雜。隨著風(fēng)速的增大，葉片壓力面壓力增大，吸力面壓力減小，葉片表面壓差變大，從而導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩也隨之增加，當(dāng)風(fēng)速為23m/s時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。然而，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)先增大后減小。風(fēng)輪在較低風(fēng)速和較高風(fēng)速工況下的風(fēng)能利用效率較低，而在中風(fēng)速時(shí)可以具有較高的風(fēng)能利用性能。
　　雖然三種湍流模型都能較好地反映出流場中的流動情況和風(fēng)力機(jī)氣動性能隨風(fēng)速變化的規(guī)律，但是在不同來流風(fēng)速下所得的模擬結(jié)果均存在差異。S-A

4、湍流模型與 SST k-ω湍流模型下的模擬結(jié)果比較接近，而 RNG k-ε湍流模型在模擬計(jì)算葉片表面流動、壓力分布和轉(zhuǎn)矩性能等方面都與前兩種模型相比有很大的誤差。這說明 SST k-ω湍流模型對風(fēng)力機(jī)氣動特性的預(yù)測能力相對較好。
　?。?）葉片表面上的湍動能分布呈葉根向葉尖遞增、尾緣向前緣遞增趨勢。隨著來流湍流強(qiáng)度的增加，葉片表面上的湍動能增大。同時(shí)，湍流強(qiáng)度的變化會引起葉片表面壓力的變化，其中，葉根附近的表面壓力變化較為明顯。隨

5、著來流湍流強(qiáng)度的增加，葉片吸力面壓力增大，壓力面壓力基本保持不變，導(dǎo)致葉片表面壓差減小，降低了風(fēng)輪的氣動性能，并且這種影響在11m/s風(fēng)速時(shí)表現(xiàn)最突出。
　　隨著來流湍流強(qiáng)度的增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和風(fēng)能利用系數(shù)明顯減小，水平軸風(fēng)力機(jī)氣動性能會發(fā)生明顯的降低，高湍流強(qiáng)度 I=25％時(shí)風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用性能比低湍流強(qiáng)度 I=0.1%時(shí)低22.7%。因此，風(fēng)場微觀選址需將湍流強(qiáng)度作為重要的評估指標(biāo)，風(fēng)力機(jī)應(yīng)盡可能建設(shè)在湍流強(qiáng)度較低的地方，且避