基于预定涡尾迹法的风力机性能研究-论文.pdf

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1、基于预定涡尾迹法的风力机性能研究ARTtCp●-：dbnOeSa∞．∽阳vLE『j=耄Sfmfr刚Or．协1”¨H，舱㈨U℃Ⅱ●一’nap：．d㈣HFSn吖：栾忠骏。李春。叶舟(上海理工大学，上海200093)摘要：以三叶片水平轴风力机为研究对象，建立了尾迹扩张模型，研究了叶片尾迹流动结构。涡面模型叶片无量纲环量的计算结果与经典环量数据对比，结果吻合较好。计算了根尖涡模型风轮面诱导速度随尾迹扩张系数的变化关系，得出了尖速比对气动性能的影响：推力系数与环量及尖速比成正比；对于不同环量，功率系数存在最佳尖速比。

2、分析了尾迹扩张模型对气动性能A的影响：推力系数一和功一率一系数一与一尾迹一扩～张系一数成一正比，尾迹收敛参数对其影响甚微。关键词：预定涡尾迹；诱导速度；环量；气动性能中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1004—3950(2014)04—0010—05一一一一～一一一一～～一一～一一需求，尤其是初始设计阶段。涡流理论在计算0引言精度方面高于叶素动量理论，效率又优于计算流气动性能预测是风力机设计和校核中不可或体力学，可准确用于计算低速不可压流动。因缺的重要步骤。目前，用于风力机空气动力学研此，基于涡流

3、理论的风力机气动性能研究与分析究的理论主要可分为四类，即叶素动量理论、二维方法自然成为现今条件下的一种有效选择并长期势流理论、涡流理论和计算流体力学¨。一般成为研究的重要领域。风力机的工程设计软件，如BLADED等均基于叶涡流理论模型包括预定尾迹模型和自由尾迹素动量理论。但其仅局限于单一风轮的气动模型。预定尾迹模型采用升力线理论，即用具有特性计算，未能计及风力机尾迹对叶片气动力以环量的附着涡代替叶片，通过计算诱导速度预测及尾涡结构的影响。计算流体力学计算量大，风力机的气动特性。由于可根据不同的经验模紊流模型

4、选取复杂，难以满足风力机的实际设计型，使用不同的子模型，故其具有很强的扩展收稿日期：2014—01—11基金项目：国家自然科学基金资助项目(E511176129)；上海市教育委员会科研创新(重点)项目(13ZZ120)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)项目(2012312011008)作者简介：栾忠骏(1990一)，男，江苏泰州人，硕士，主要从事风力机方面的研究。一10一性。自由尾迹模型能直观显示尾迹几何尺寸面，涡线环量表达式为：变形失真，可预测风力机的瞬时载荷和输出()：一A，(2)功率¨。

5、口r本文中采用预定尾迹模型对某5MW风力机式中：r为径向半径；Ar为环量跃变点间的距离；的气动特性进行研究。根据叶片环量分布建立根(r)为径向半径r处脱落的涡线环量。尖涡和涡面两种尾迹模型，以期通过尾迹结构了解扩张尾迹的基本特征；通过对叶片径向诱导速度和无量纲环量的计算，得到风力机推力系数和功率系数并分析各参数对其影响。l计算模型根据叶片环量分布特点，预定尾迹可分为根尖涡模型和涡面模型。根尖涡模型仅在叶片上布置一个马蹄涡代替环量，而实际风轮流场中沿叶片径向存在脱落涡，为此进一步提出涡面模型，即在叶片上重叠多

6、个马蹄涡，以便更准确地描述出图1涡面模型径向环量分布及尾迹形状。根据风轮下游流道扩1．3尾迹扩张模型张特性，建立尾迹扩张模型。数值计算时，首先计假设叶根涡位于尾迹中心轴且不扩张，通过算出尾迹结构，然后确定根尖涡模型或涡面模型在叶尖涡运用一个预定模型考虑尾迹扩张。在经叶片环量大小，最后根据Kutta—Joukowski定理和验基础之上，定义远场涡截面半径，如下：Biot—Savart定理分别求解叶素上的升力和尾迹对R2=[1+(WER一1)·tanh(z／r)]R(3)叶片的诱导速度。式中：R为叶片半径；WE

7、R(WakeExpansion1．1根尖涡模型Ratio，WER)为尾迹扩张系数，定义为涡线扩张根尖涡模型又称Joukowski模型，其假设沿叶至收敛时，远场涡断面的半径与风轮半径的比值；片半径环量分布为常量，叶片可等效为具有常环为尾迹收敛至最终半径速度影响系数；为尾迹量厂。的附着涡和叶尖及叶根处的脱落涡。叶尖轴向坐标。WER和作为影响尾迹形状的主要参涡和叶根涡大小相等，方向相反。三叶片风力机数，也影响到功率系数和推力系数。根尖涡模型的扩张尾迹由各叶片的根尖涡叠加，根尖涡由根尖处脱落，逐渐扩张至收敛。风轮尾

8、2数值求解迹中由于粘性而引起耗散效应，涡强度逐渐衰减且涡核半径逐渐增大¨。2．1叶片环量的求解若不考虑涡核半径，叶根涡位于转子的风轮对于根尖涡模型，沿半径环量为常量厂(r)轴线或是中心半径。对于多叶片情形，叶片数为=厂，脱落的根尖涡环量大小为，，方向相反，数Ⅳ。，叶根涡环量厂⋯大小为各叶片叶尖涡环量值模拟不同的厂值对风力机性能的影响。涡面模厂之和，即：型中，离散的螺旋涡线产生与来流方向相反的位F。=一Ⅳ·厂。(1