风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究.pdf

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1、第36卷第2期东北电力大学学报Vo1．36．No．22016年4月JournalOfNortheastDianliUniversityApr．，2016文章编号：1005—2992(2016)02—0033-06风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究张宏洋，盛会霞2，张玲。(1．国电科技环保集团股份有限公司采购与物资管理部，北京100039；2．郑州燃气发电有限公司，郑州4500103．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：采用ssT一∞模型，分别对均匀风和剪切风下1．2MW水平轴风力机在11．26m／s来流风速下的绕流流场进行三维数值模拟。

2、根据模拟结果分析均匀来流和动态风剪切来流对风力机输出功率的影响以及风剪切对风力机三维流场的气动性能影响。研究结果表明：均匀风下，风力机功率计算值与设计值吻合较好；风力机受到风剪切的影响时，能导致叶片表面的载荷和性能发生变化。关键词：风力发电机；风轮；风剪切；气动性能；数值模拟中图分类号：TK124文献标识码：A近年来，随着风能理论以及风电技术的日益成熟，各个国家开始引入大型风力机进行发电¨。但风力机进人工作状态时面临的环境非常复杂，风的湍流特性、偏航人流、塔影效应、风剪切、地球引力以及尾流等都会对风力机的性能产生影响[2-31。自从Lanchester和Betz计

3、算出风力机可利用风能的最大利用率为59％，又经过多年对风力机不断的研究J，一直到1935年才有实质性突破，进而由Glauert建立了叶素动量理论(BladeElementMomentumTheory，BEM)，成为风力机设计程序遵循的理论基础。到目前为止，人们对于风力机最基本的气动性能还没有研究透彻，急需对理论进行进一步探索和完善一。对风力机进行实验时，整机实验非常有难度。国内外的研究学者想到了运用计算机解决问题，于是CFDlI成为了最主要的研究方法。张涵信和贺立新¨采用了有限体积法，在非结构网格单元上进行离散，同时利用同位非结构化网格进行了压力的加权修正，模拟采

4、用了Navier-Stokes方程及k一8方程，给出了在不同攻角条件下，孤立翼型的分离流结构以及表面的压力分布情况。田琳琳¨将风轮简化为致动盘，采用CFD方法对风电场内的9台呈梅花型布置的风力机进行数值模拟，得到尾流流场的速度分布及下游尾流区的湍流强度分布，对于大型风电场的微观选址和风力机布置方式提供了理论依据。李晓冰将Jensen简单地形尾流模型和复杂地形的尾流模型相结合，采用微粒群优化算法计算每个风力机的来流风速来反映各个风力机组问的相互绕流及影响，最终对风电场中的风力机进行优化排布。陈严¨根据势流理论建立了动态尾流气动模型，在传统的稳态过程中的尾流模型上做了

5、改进，更能真实地反映尾流流场的低速区和尾流诱导速度场，便于对风力机的气动性进行分析。在对风力机的模拟研究中，风剪切的研究比较少。对于实际运行的风力机，运行环境非常复杂，具有很强的时变性。由于地面边界层的作用风速沿高度增大，并且还会受到上游风力机尾流的影响，在铅锤方向上，平均风速随高度的增加而增加，一般在离地面300m-500m后风速才会趋于常数。在风力机叶片外形的气动优化设计过程中，目前均不考虑风剪切的影响，已有的各种设计方法¨都是采用风轮收稿日期：2016-01—12作者简介：张宏洋(1978-)，男，山东省莱阳市人，国电科技环保集团股份有限公司采购与物资管理部

6、工程师，硕士，主要研究方向新能源发电技术．34东北电力大学学报第36卷中心处的风速作为单一的设计风速。这种做法对于小功率的风力机而言是可行的，因为其直径较小，风速在直径尺寸内变化不大，而对于大功率的风力机，就有必要考虑风速在垂直方向上的变化问题，即风剪切问题"。图1示意了轮毂风速为11．26m／s时，计算域进口边界上的切变风速分布。3图1风速随高度变化的曲线图2风力机的流场区域风轮是风力发电机的核心部件，为了更好的利用风能，风轮直径不断增加，风轮的垂直高度、风力机所处的地理位置及地形地貌和风轮与塔架的相互作用等因素造成了气流的不均匀性。因此，考虑风剪切影响的风力机

7、整机数值模拟对了解和改进风力机气动性能具有实际意义。本文运用CFD的方法构建风力机三维数值流场，最大程度的接近风力机实际运行环境，模拟风力机在风剪切条件下的三维流动情况。1模型的建立1．1几何模型采用Solidworks和Gambit软件对风力机进行三维建模及网格划分，风力机额定功率为1．2MW，其叶轮直径D=70m，计算区域主要由半径为5D、长为13D的半圆柱体构成。风力机塔架高为80m，距流场进口边界为3D，流场区域具体尺寸如图2所示。风力机的进口风速为11．26m／s，风轮额定转速为18．44rpm。1．2数学模型的建立在本文中，由于来流风速和叶轮的旋转速度

8、较低，视空