水平轴风力机气动性能数值模拟及塔影效应研究

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随着风力机单机容量大型化的发展趋势,风力机的尺寸在不断的扩大,一些之前只在下风型风力机中影响较为严重的问题,目前也逐步在上风型风力机中突显出来,较为突出的就是塔影效应,这种塔架对流动的阻塞作用,会导致风力机气动载荷的瞬时降低,同时对塔架产生周期性载荷冲击,严重影响风力机的寿命和运行安全。目前国内外对下风型风力机的塔架干涉流动的研究,从实验、塔影模型以及CFD方法等方面开展的研究已经积累了很多研究成果,但专门针对上风型风力机塔架干涉的研究还很少。文章采用CFD方法对NREL Phase VI上风型风力机的塔影效应进行全三维非定常数值模拟,通过对NREL Phase VI风力机模型气动性能数值模拟方法的确认研究,验证了Fluent求解器结合SST k-ω湍流模型并采用ICEM划分的六面体网格对风力机气动性能模拟的方法的可靠性和准确性,并采用该模拟方法,对NRELPhase VI上风型风力机的塔影效应进行了数值模拟研究,对比了有无塔架两个模型分别在7m/s,10m/s和20m/s三个来流风速下气动载荷和流场的差别,对比结果发现,受塔影效应的影响,轴扭矩和推力在180°方位角左右都有一个突降又快速回升的过程,随着风速的提高塔影效应对风力机的影响存在一个滞后现象,在同一风速下,塔影沿叶片展向上也是在逐渐减弱的。另外,在对减弱塔影效应方法探索中发现,钝尾缘(Blunttrailing edge)在叶片的应用,能够较好的提高风力机的气动性能,但是在减弱塔影效应方面,并不能起到作用,而翼型塔架(Aerofoil tower)的导流作用明显,对塔影的减弱,有一定帮助,但也理解为是塔架直径的减小对减弱塔影效应的贡献。最后,加工制造出叶轮1:14缩小模型,并对接下来的塔影风洞实验方案进行了具体介绍。
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