綜合Lagrangian動力大渦模擬與致動線法的風力機尾流數(shù)值模擬研究.pdf

1、風力機尾流效應是影響風力機發(fā)電效率、轉子疲勞壽命以及電網穩(wěn)定性的重要因素，因此一直受到風能領域研究者的廣泛關注。然而，風力機尾流是一種復雜的非定常湍流流動，并要受到風力機結構、運行狀態(tài)、風場內風力機布局、地形地貌、大氣邊界層等諸多因素的影響，其機理至今尚不完全清楚，以至當前大多風力機及風場的設計不得不借助低精度的尾流工程經驗模型。當前風力機發(fā)電機組具有大型化或超大型化的趨勢，這將對風力機遭受的氣動力及氣-彈性問題提出更大的挑戰(zhàn)，為此研究

2、風力機尾流的高精度模型及尾流流動特性是非常必要的。
　　本文提出一種基于致動線法（ALM）的Lagrangian動力大渦模擬（LES）模型，并運用該模型對MEXICO風力機轉子近、遠尾流的流動特性進行了詳細的數(shù)值模擬研究。主要研究內容歸納如下：
　?。?）提出一種專用于風力機尾流數(shù)值模擬的基于ALM的Lagrangian動力LES模型。由于風力機轉子、塔、地形及大氣等作用，風力機尾流往往是非均勻各向異性湍流。為此本文采用La

3、grangian動力LES數(shù)值方法，以更好地求解非均勻各向異性湍流。另外，如果完全求解風力機轉子的邊界層，其計算量將相當大，從而不利于工程應用。因此本文引入基于葉柵動量理論（BEM）的ALM以等效風力機轉子邊界層對尾流的影響。
　?。?）引入Prandtl–Glauert葉根/葉尖校正模型及Snel等提出的三維旋轉修正模型?；贐EM的ALM模型通常在有限長葉片的葉尖及葉根處誤差很大，為此引入Prandtl–Glauert葉根/葉

4、尖校正模型以改善這種狀況。此外，ALM模型要用到翼型升、阻力氣動力數(shù)據表，但已有的翼型氣動力數(shù)據是在二維翼型條件下測得的。而進一步的研究發(fā)現(xiàn)，實際的三維轉子因受到離心力及科氏力的作用會導致實際轉子的翼型氣動力數(shù)據與二維翼型氣動力數(shù)據相差甚大，因此本文引入Snel等提出的三維旋轉修正模型以改善這一問題。
　?。?）引入Shives等提出的有關Gaussian光順函數(shù)中長度尺度因子的選擇方法。按照傳統(tǒng)方法， ALM模型中Gaussia

5、n光順函數(shù)長度尺度因子的選擇主要依賴轉子區(qū)域網格的大小，但在實際模擬中，轉子區(qū)域網格大小的確定往往非常困難。Shives等提出的方法把長度尺度因子與有物理意義的葉片局部弦長以及轉子區(qū)域的網格大小關聯(lián)起來，這極大地方便了ALM模型中Gaussian光順函數(shù)長度尺度因子的選擇及轉子區(qū)域網格的劃分。
　　（4）根據本文模型對風力機近尾流進行了詳細研究。這部分研究的目的有兩個，一是驗證本文提出的風力機尾流模型的有效性；二則是借助該模型研究

6、風力機近尾流的流動特性。具體工作針對MEXICO轉子進行，考慮了三個典型的風力機工況，即湍流尾流狀態(tài)工況、設計條件工況及失速條件工況。首先模擬得到三種工況條件下的功率系數(shù)、時間平均軸向速度的展向及流向分布；然后與MEXICO實驗數(shù)據比較，驗證了模型的有效性。最后利用本文模型對風力機近尾流渦及湍流強度等特性進行了詳細研究。
　　（5）根據本文模型對風力機遠尾流進行了詳細研究。該部分工作也是在三種工況條件下進行的，分別對軸向時間平均速