水平轴风力机叶片附近区域流场的数值分析

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1、第一章绪论1.1引言自1973年世界石油危机以来，随着世界常规能源的告急和全球生态环境恶化，对可再生能源的开发利用越来越受到人类的重视。风能的开发利用尤其受到了各国的广泛重视。然而，研究大多针对工程实际展开，对风能获取机理的研究还远远不够，专家学者们提出了“backtobasic”的理念。计算流体动力学（CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法计算基础之上的一门新型独立科学。它兼有理论性和实践性的双重特点，现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，并成功应用于水利、航运、海洋、环境、食品、流体机械

2、与流体工程等各种技术科学领域。本文旨在通过对水平轴风力机准动态和动态工况下叶片附近区域流场的数值研究，尤其是尾流区域的数值研究，揭示研究区域的细节速度分布（detailedvelocities）和压力分布（detailedpressure），为进一步探索功率放大技术提供理论基础和支撑依据，同时也为实验提供了理论预测和补充。此外，文章还探索性地研究了叶尖加小翼技术对流场的影响以及小翼表面的速度压力分布，这对深入研究剖析小翼技术机理具有很大的现实意义，并且在国内外文献检索过程中尚未检索到类似文章，属于该领域研究

3、的前沿范畴。1.2研究内容简介1.2.1尾流什么是尾流呢？简单的说，也就是与流体作相对运动的物体后面的流动。流体绕过物体时，会在物面上形成边界层。对于像建筑物或桥墩那样的非流线形体，流动会从物体后部表面分离，并伴有周期性的旋涡发放。这些旋涡顺流而下，在物体后面形成尾迹。尾迹的具体结构和特征取决于不同的流动。雷诺数Re＜60时，为层流尾迹；60＜Re＜5000时，尾迹以涡街（从物体两侧周期性地向后发放出旋转方向相反并规则排列的双列线涡）为特征；Re＞5000时，为湍流尾迹。11.2.2风力机尾流区风能转化为可

4、利用能包括两个过程：第一，通过风轮从风轮中汲取动能转化为风轮轴处的机械能；第二，将轴功转化为可利用能（大多为电能，但也可为水泵的机械能或水脱盐除污用的化学能）。其中，过程一为空气动力学关注范畴，在此过程中来流风经过风轮后，其动能降低，部分转化为风轮轴处的机械能。经过风轮的气流，在风轮之后相对于风轮前的气流来说，速度减小，湍流度增强，该部分气体所在区域即称为风力机尾流区，如图1－2所示。图1-1风力机尾流区示意图Fig1-1Illustrationofwakeregionofwindturbine风力机尾流区

5、可以划分为近尾流区和远尾流区两个截然不同的区域。近尾流区指的是靠近风轮在风轮后方大致一个风轮直径长的区域。风轮的存在在外观上可以由叶片的数量，叶片空气动力学特征如失速流动、三维效应和叶尖涡来体现；远尾流区是近尾流区以后的部分，着重研究风电场中风力机群的作用，因此模拟实际风轮并不是很重要，它的关注焦点是尾流模型、尾流干涉、湍流模型和地形影响。近尾流区的研究着眼于功率提取的物理过程和风力机性能，而远尾流区的研究更为关注在风电场中机组成群布置时风力机间的相互作用。1.3国内外研究现状1.3.1国外研究现状自从上世

6、纪70年代末人们重新对风能利用提起重视后，风力机尾流区研究一直以来便是国际学者的研究热点。尽管近年来国际上对于风力机的尾流区已经通过各种高新的测试手段和数值处理设备进行了多次实验和数值研究，但一些控制功率输出的2最基本的空气动力学机理还没有被完全理解，尾流区的理论还未完全形成。根据实验技术方法、设备和计算方法模型的水平，国外对于风力机尾流区的研究大致经历了两个阶段：第一阶段，初步研究阶段（1978～1983）。1978年，为了弄清风电场中多排风力机之间的相互影响，瑞典人Faxen,T.、荷兰人Builtje

7、s,P.J.H.、Smith,J.等人首先着手风力机尾流区的研究。[1－4]随后的几年里，荷兰人Vermuelen,P.E.J.、英国Clayton,B.R.、美国人Hansen,A.Craig也做了该方面的研究。[5－7]初始阶段的研究都是偏重于风力机尾流对风电场中的其它风力机的影响，以确定风力机布置的最佳间距等问题，其研究范畴属于远尾流区研究范畴，研究目的也仅为解决具体的某方面工程问题。实验方法设备较为落后，测试数据准确度和数据的完整性都存在相当大的缺陷。计算模型一般都为简单的静态二维翼型模型，且网格划

8、分也较为粗糙，忽略了众多影响因素，计算方法多为自己编制程序，工作量较大，效果也一般。第二阶段，深入研究阶段（1984～2006）。随着对风力机空气动力学认识的不断深入，以及实际风力机问题复杂性的不断产生，研究人员提出了“backtobasic”[18]的理念，即回归基础研究。本阶段比较具有代表性的研究者分别是荷兰的Vermeer,L.J.、英国的Grant,I.、日本的Shimizu.Y.和西班牙的Crespo,