为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗...

基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡.

基于大涡模拟入口方法中的AR线性过滤法,以Kaimal谱为目标谱,采用指数率风速廓线分布规律,以此编写AR法程序,生成计算域入口不同位置处的随机数据序列。为生成符合B类风场规范的湍流场,在0~150 m和150~500 m的高度段,把AR法生成的数据序列扩大不同的倍数,与平均风速剖面叠加,添加到计算域入口,生成湍流风场,对比不同随机数放大倍数下的平均风速剖面和湍流度剖面的变化规律,当0~150 m高度区间的数据序列扩大1.3倍,150~500 m高度区间的数据序列扩大2.3倍时,生成的湍流场基本可以满足B类风场规范要求。

为了更准确、真实地描述复杂地形风场流场特性,该文以Ris?实验室开展的Bolund岛实验结果为依据,采用雷诺时均(RANS)与大涡模拟(LES)方法对Bolund岛进行数值模拟。研究表明:针对Bolund岛的数值模拟,在Line B特征线上5 m高度处模拟值比2 m处更接近实验值,在岛前位置模拟结果比岛后位置模拟结果更准确;LES方法能够有效揭示Bolund岛地形周围流动的绕流特征和尾流区涡特征。

通过对中国B类风场平均风剖面来流条件下的风力机进行大涡模拟,研究风力机的尾流特性。研究发现,对于尾流时均轴向速度,速度剖面在1~7D范围内呈非对称“W”形分布,随着尾流继续向后发展,“W”逐渐演化为“S”形。由于风剪切效应影响,尾流轴向速度垂直剖面以轮毂中心线呈不对称性分布,尾流下半部区域较上半部区域的轴向速度恢复更快。对于轮毂中心线高度的尾流轴向速度,最大亏损发生在7D位置,最大亏损率为24.8%。距离风轮越远,尾流湍动能变化幅度和平均湍动能均逐渐减小。在下游1~9D范围内,出现了规律性的湍流结构,随着尾流逐渐远离风轮,小尺度高频湍流结构逐渐向大尺度低频湍流结构演化。

真实环境运行的风力机常受到强湍流相干结构对其的影响,而湍流相干结构的发生具有空间位置的不确定性和随机性,叶片作为捕获风能的主要部件其载荷直接关系到风力机运行的安全性,因此该文对湍流相干结构位置的改变对叶根载荷的影响展开研究。结果表明,湍流相干结构位置的改变对摆振力矩影响较小,位置的下降会使得挥舞力矩趋于稳定且波动集中;叶根挥舞方向的载荷约为摆振方向3.5倍;叶根载荷波动具有低频高能的特点,当湍流相干结构中心位于轮毂中心时叶根载荷最大。

雷诺数是影响翼型气动特性的主要参数之，当雷诺数在5×10^5—1×10^7范围内变化时，基于N-S控制方程，对S827翼型在攻角α为-14°—45°范围内变化时的气动特性进行数值计算，研究了雷诺数对该翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数、最大升阻比、流动分离特性、失速特性等气动特性的影响。

利用CFD软件对S827翼型进行数值计算，验证了选用RNG k-ε两方程作为CFD数值计算的湍流模式的合理性。基于RNG k—ε湍流模式对S902和S903两种翼型的气动性能进行了数值模拟计算，研究了翼型弯度对翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数、最大升阻比、流动分离特性、失速特性和深失速特性等气动特性的影响。

钝尾缘风力机翼型有较好的结构和气动性能是目前多被用于大型风力机叶片靠近轮毂区域的选定翼型。但钝尾缘翼型也有缺点易产生大的脱流涡这会降低叶片的气动性能。为了更好地研究钝尾缘翼型的性能以了解其气动性能的降低能否与其结构性能的优化相匹配。采用计算流体动力学（Computational fluid dynamicsCFD）方法对薄尾缘翼型S809和改进的钝尾缘翼型S809-100的性能进行模拟和对比结果表明相对于薄尾缘翼型钝尾缘翼型可以增大断面的最大升力系数和升力曲线斜率并可以降低翼型污染对翼型升力影响的敏感度。