风力发电机三维流场数值仿真

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1、第3l卷第1期计算机仿真2014年1月文章编号：1006—9348(2叭4)Ol一0132一04风力发电机三维流场数值仿真张耀华，唐胜利，李隆键(重庆大学动力工程学院，重庆400030)摘要：大尺度风轮在自然条件下叶片周围流场复杂，对于气动性能影响很大．采用主流方法BEM理论在失速偏航时计算误差较大。为解决上述问题，采用cFD软件提供的方法计算不同风速、叶轮转速以及桨距角对于流场绕流的影响，在计算功率与设计功率很好符合的基础上，详细分析桨叶附面层流动分离现象，并比较了不同攻角下翼型绕流对叶片载荷影响。结果提出优化方案：不超过运行风速时，流动

2、分离仅发生在根部附近，叶片表面具有良好的绕流特性；超过运行风速时，可通过变桨调节避免失速，降低叶片载荷强度。计算结果能够为掌握风力机的能量吸收规律、提高叶片气动性能提供支持。关键词：风力机；三维流场；气动性能；数值仿真中图分类号：TM743文献标识码：BNumericalSimulationofThree—DimensionalFlowFieldf．orWindTurbineZHANGYao—hua，TANGSheng—li，LILong—jian(ColIegeofPowerEn舀neering，ChongqingUniversily，C

3、hongqing40030，China)ABSTRACT：InthepaPer，amJme而caJsjmulaljonmefhodwasadoptedforthe妇ownume而ca】sjmulalionofwjndtu卜binebladesaemdynamicperfb丌11ance．Basedonthewellpredicatedpowerscomparedwiththedesigneddata，thenowseparationofboundarylayerwasanalysedandthebladeloadingcausedbynow

4、aroundail。fbilsunderdiffbrentattackanglewascompared．Theresultsshowthatwhenthespeedisslowerthannomlalwindvelocify，nowseparationoccursonbladerootonly，andthebladesurfhcehasshowna900dtwo—dimensionnow；whenbeyondtheno丌11alwindveloc—ity，ilcanreducebladeloadstrengthbythev撕ablepmpe

5、lleradjuslment．Itcanimprovewindturbineperforrnanceandgivesupporttomasterlawofwindturbine’senergyabsorption．KEYWORDS：Windturbine；3DFlowfield；Aemdynamicperfomance；NumericalsimuIation1引言在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源具有巨大开发价值。3，日益为世界各国所重视和开发。在风力发电机叶片的设计和校核过程中，气动性能计算是非常重要的环节。目前，

6、气动性能计算的主流方法是动量叶索理论(BEM理论)，虽然其计算效率高，但误差较大，且当风力机处于失速、偏航等工况下时，该理论不适用。考虑叶片绕流对风力机气动性能的准确计算和分析十分关键，而CFD方法能够较好地计算叶片周围详细流场信息，且对桨叶附面层流动分离现象以及动态失速问题能够较好的模拟，因此利用CFD软件中的方法计算风力机叶片气动性能具有明显的优势。本文采用cFD商用软件NuMEcA对东方汽轮机厂DF77叶片进行三维数值仿真，重点研究了均匀来流下叶片定常绕流流场，分析叶片附面层的流动分离情况，为掌握基金项目：重庆市科委自然基金资助项目(

7、2006BA3023)收稿日期：2们3一04—0l修回日期：2013—05—11～132一风力机的能量吸收规律、提高风力机气动性能提供数据，为叶片强度优化设计提供理论支撑。在数值计算结果与设计功率值相当的情况下，针对风力机绕流流场，详细分析了不同翼型截面上流动以及整机流场情况。通过多种不同的工况对比，得出了随着风速、叶轮转速、桨距角的变化，风力发电机的扭矩、功率、扭矩的变化规律，并描述了桨叶附面层流动分离现象，为风力机的叶片结构强度优化问题提出改进方案。2研究模型DF77风力发电机是三叶片、上风向、水平轴双馈异步型风力发电机，叶轮直径77m

8、，设计功率值1．5Mw，设计使用寿命20年的风力机。额定转速17．3巾m，转速范围8～18．1rpm，设计切入风速3m／s，切出风速(10分钟平均值)25m／s，额定风速12m／