湍流強度對水平軸風力機氣動性能的影響.pdf

1、隨著能源緊缺與大氣污染問題的日益突顯，風能作為一種環(huán)保清潔的可再生能源，已經(jīng)快速發(fā)展成為當前最具開發(fā)利用前景的能源之一。風力發(fā)電機組在風能開發(fā)利用中扮演著核心角色，然而，實際工作中的風力發(fā)電機組會受到風的湍流擾動影響。因此，研究風力機在湍流環(huán)境下的氣動特性十分必要。
　　本文以水平軸風力機風輪縮比模型為研究對象，基于 CFD方法，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，針對風力機的氣動特性進行三維湍流數(shù)值模擬。首先，研究風力機葉片表面流動特性及氣動性能隨

2、風速變化的規(guī)律，分析 S-A湍流模型、RNG k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型對風力機氣動特性的預測能力。然后，研究來流湍流強度對水平軸風力機氣動性能的影響規(guī)律，對比不同湍流強度對風力機氣動特性的影響程度，并分析各風速下風力機氣動特性受湍流強度影響的敏感性。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）隨著風速的增大，葉片吸力面上的流動分離由后緣逐漸向前緣發(fā)展，且由葉根逐漸向葉尖發(fā)展，直到高風速時覆蓋整個吸力面呈完全分離狀態(tài)，此時葉片周圍流

3、場的流動非常復雜。隨著風速的增大，葉片壓力面壓力增大，吸力面壓力減小，葉片表面壓差變大，從而導致風輪轉(zhuǎn)矩也隨之增加，當風速為23m/s時風輪轉(zhuǎn)矩達到最大值。然而，隨著風速的增大，風輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)先增大后減小。風輪在較低風速和較高風速工況下的風能利用效率較低，而在中風速時可以具有較高的風能利用性能。
　　雖然三種湍流模型都能較好地反映出流場中的流動情況和風力機氣動性能隨風速變化的規(guī)律，但是在不同來流風速下所得的模擬結(jié)果均存在差異。S-A

4、湍流模型與 SST k-ω湍流模型下的模擬結(jié)果比較接近，而 RNG k-ε湍流模型在模擬計算葉片表面流動、壓力分布和轉(zhuǎn)矩性能等方面都與前兩種模型相比有很大的誤差。這說明 SST k-ω湍流模型對風力機氣動特性的預測能力相對較好。
　　（2）葉片表面上的湍動能分布呈葉根向葉尖遞增、尾緣向前緣遞增趨勢。隨著來流湍流強度的增加，葉片表面上的湍動能增大。同時，湍流強度的變化會引起葉片表面壓力的變化，其中，葉根附近的表面壓力變化較為明顯。隨

5、著來流湍流強度的增加，葉片吸力面壓力增大，壓力面壓力基本保持不變，導致葉片表面壓差減小，降低了風輪的氣動性能，并且這種影響在11m/s風速時表現(xiàn)最突出。
　　隨著來流湍流強度的增加，風輪轉(zhuǎn)矩和風能利用系數(shù)明顯減小，水平軸風力機氣動性能會發(fā)生明顯的降低，高湍流強度 I=25％時風輪的最大風能利用性能比低湍流強度 I=0.1%時低22.7%。因此，風場微觀選址需將湍流強度作為重要的評估指標，風力機應盡可能建設在湍流強度較低的地方，且避