Magnus效应作用下的风力机气动性能及流动控制的数值研究

发布时间：2020-09-17 09:36

　　在世界风能利用备受重视的背景下,我国的风力发电技术得到了快速的发展,各种旨在提高风力机气动性能的新想法层出不穷。对于风力机而言,如何降低成本、提高风能利用效率、保障运行安全性以及减少对环境与生态的影响等都是相关研究人员所面临的问题。将Magnus效应引入风力机叶片的气动设计中,来代替常规风力机的叶片,为风力机的研发和控制提供了新的思路。本文的主要内容与研究成果如下: 一、结合风力机流场模拟的特点,发展了一套可压缩流体力学方程低速预处理方法的计算程序。在比较了风力机流场模拟的各种数值计算方法的优缺点后,研究了一种以压力、速度和焓为原始变量求解旋转坐标系下可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的预处理计算方法。通过几个二维翼型绕流的算例,对该计算方法及程序进行了初步的考核与验证。结果表明,对于低马赫数流动,该预处理方法能够达到促进与加速计算收敛的目的。由于目前该程序对三维风力机流场模拟时相对复杂的网格处理仍有一定的困难,因此,下文采用CFX软件进行风力机及其相关流场的数值模拟。二、通过几个算例,验证了本文数值模拟结果的准确性和可靠性。分别通过二维定常NACA 63418翼型绕流、二维非定常静止圆柱绕流与三维定常NREL PhaseⅥ风力机绕流的数值模拟以及与相应的实验结果相对比,考核了本文数值模拟结果的准确性。研究结果表明,对于非失速工况下的附着流动,数值计算结果与实验数据符合较好,对风力机扭矩的预测比较可靠;对于失速工况下的分离流动,数值计算结果的准确性有所下降,但仍能得到可比的结果。三、通过数值模拟,分别研究了采用不同长径比的直圆柱叶片、倒圆锥叶片以及不同波长的波状圆柱叶片的Magnus机风力气动性能及流动控制特性。研究表明,风轮尖速比与圆柱转速比是Magnus风力机的两个重要的无量纲参数。Magnus风力机的风能利用率系数随尖速比及转速比先增大后减小,推力系数均随尖速比及转速比增大而增大。旋转圆柱对Magnus风力机的输出功率与推力载荷均有很好的控制效果。其中,对于直圆柱叶片的Magnus风力机,叶片长径比的大小决定了风力机正常工作的尖速比范围及其最大风能利用率系数。对于倒圆锥叶片的Magnus风力机,当尖速比与转速比较低时,由于叶片内侧的局部转速比损失,其风能利用率系数略低于相同叶尖尺寸的直圆柱叶片的Magnus风力机;而当尖速比与转速比较高时,其最高风能利用率系数相比直圆柱叶片的Magnus风力机有显著提高。对于波状圆柱叶片的Magnus风力机,由于旋转波状圆柱的受力效果不佳,导致了旋转叶片的能耗过大,因而其风能利用率系数相对较低。四、提出了一种新型的Magnus力作用下的前缘旋转风力机,并通过数值模拟,研究了这种前缘旋转风力机的气动性能及流动控制特性。通过数值计算,对施加前缘旋转控制的NACA 63418翼型的相关几何控制参数进行了设计,得到了前缘旋转NACA 63418翼型的间隙大小与旋转圆柱尺寸。首先针对二维前缘旋转NACA 63418翼型的气动性能进行了研究。数值模拟结果表明,当攻角较小时,由于翼型压力面间隙出口处出现流动分离,前缘旋转圆柱的控制效果不好;当攻角较大时,前缘旋转圆柱能够有效抑制翼型吸力面上的流动分离,从而延缓翼型失速,翼型的气动性能得到了大幅提升。在二维翼型研究的基础上,开展了三维前缘旋转风力机的气动性能研究。数值模拟结果表明,与变截面叶片前缘旋转风力机相比,而等截面叶片前缘旋转风力机的气动性能较好。分析风力机叶片表面的载荷分布后发现,当尖速比较高时,旋转圆柱表面的吸力峰作用显著增强,因而前缘旋转风力机的风能利用率系数提高。对叶片桨距角的研究发现,为了保证前缘旋转圆柱对风力机流动控制效果,风力机叶片的攻角不宜过大。此外,还研究了前缘旋转圆柱对等截面叶片前缘旋转风力机的气动控制特性,并由此提出了一种在不同风速条件下通过调节旋转圆柱转速来实现风力机风能输出功率最大化的气动控制方法。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

电网图,的影响,风速图,地面图

然后联接到发电机上，再由发电机工作产生电能后向外输出。齿轮箱电机均位于机舱内，塔架是支承风轮与机舱的构架。为了减小地面大气边界风速的影响，塔架一般修建得比较高，并且要有足够的强度。风力发电机所的电力既可以通过电池储存起来，又可以并入电网提供给用户使用。由于风电机组的运行状况取决于当地的风速条件，发电量相对不稳定，这给风电并来了不小的难度。根据风轮轴线与水平面的相对位置，可将风力机分为水平轴风力机和垂直力机两大类。目前市场上绝大多数的风力机都是如图 1.2 所示的水平轴风力机风轮通常包含两至三个叶片。

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示意图,激盘,流管,风轮

图 1.3 激盘模型的流管示意图[4]26 年，贝茨在理想风轮假设的基础上，建立了风轮前后的流动模的做功情况。如图 1.3 所示，风轮用均一可穿透的“激盘”来表示力不连续。控制体取包围激盘的一段流管，其边界由流管两端截面。风沿流管轴向作不可压缩定常流动，不考虑尾迹旋转。风轮前后压力都视为无扰动情况下的环境压力。于要对风轮做功，风流过风轮后速度必然降低，根据动量定理，由率得到流场作用于风轮的轴向推力为：( )d wT ρAU U U∞= ρ 是空气密度，A 是风轮迎风面积，U∞是无扰动的来流速度，U处的速度，dU 代表风穿过风轮时的轴向速度。

【参考文献】