工程熱物理所風力機新型氣動模型研究取得新進展

2021-01-07 中國科學院
工程熱物理所風力機新型氣動模型研究取得新進展

2015-01-27 工程熱物理研究所

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語音播報

　　近年來，儘管風力機尾流研究受到了業界的普遍關注，但是由於流場的多尺度性和來流複雜性等原因，風力機流場特性仍難以完全了解清楚。在風力機尾流區域內，葉片旋轉效應顯著，尾渦的運動發展與風力機氣動性能存在較強的幹涉，給風力機研究帶來了困難。同時，尾流效應造成風場尾流速度降低和湍流度增加，使得風力機輸出功率減少，葉片的疲勞載荷提高、壽命減少，因此，風力機的近尾流場研究必不可少。

　　目前，數值研究分析採用最多的模型為CFD（Computational Fluid Dynamics）模型，但CFD模型對風力機進行尾流特性模擬時對計算資源佔用大，耗時長。近日，中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發（試驗）中心採用自主研發的工程應用新模型（改進致動面模型），對不同排布下的多颱風力機尾流場分析，研究幹涉效應影響、流場耗散和摻混現象。該方法採用計算域中的體積力空間分布替代葉片在流場中對流體的作用，不需要對葉片表面粘性邊界層流動進行求解，減少了葉片附近的網格數量，大大節省了建模和數值求解所需時間，最大程度上提高了三維流場的分析能力。圖1所示為改進致動面模型的計算流程圖，通過三維CFD計算，提取葉片展向不同位置的當地攻角及相對入流速度；根據流場信息，對葉片進行氣彈計算，得到當前氣彈響應；計算當地翼型的壓力係數分布並轉換成翼型平面的法向作用力，以體積力源項的形式添加到流場中進行迭代計算。

　　圖2所示為不同排布方式下的多風力機軸向切面渦量雲圖及渦量等值面圖。結果表明，改進致動面模型對尾流場進行模擬預測的結果與已有模型結論相吻合，具有較高的三維計算精度，適應於多風機尾流研究，能有效地模擬尾流摻混和能量耗散等現象；同時，分析表明改進致動面模型廣闊的應用場合，為風力機近尾流場的氣動特性研究及氣動模型發展提供參考依據。

　　該研究得到了國家自然科學基金項目（No.51376180）的大力支持，相關研究成果已在《工程熱物理學報》上發表。

 

圖1 改進致動面模型計算流程圖 

　 

圖2 改進致動面模型縱排(左)及錯排(右)排布下軸向切面渦量雲圖分布及等值面 

　　近年來，儘管風力機尾流研究受到了業界的普遍關注，但是由於流場的多尺度性和來流複雜性等原因，風力機流場特性仍難以完全了解清楚。在風力機尾流區域內，葉片旋轉效應顯著，尾渦的運動發展與風力機氣動性能存在較強的幹涉，給風力機研究帶來了困難。同時，尾流效應造成風場尾流速度降低和湍流度增加，使得風力機輸出功率減少，葉片的疲勞載荷提高、壽命減少，因此，風力機的近尾流場研究必不可少。
　　目前，數值研究分析採用最多的模型為CFD（Computational Fluid Dynamics）模型，但CFD模型對風力機進行尾流特性模擬時對計算資源佔用大，耗時長。近日，中國科學院工程熱物理研究所國家能源風電葉片研發（試驗）中心採用自主研發的工程應用新模型（改進致動面模型），對不同排布下的多颱風力機尾流場分析，研究幹涉效應影響、流場耗散和摻混現象。該方法採用計算域中的體積力空間分布替代葉片在流場中對流體的作用，不需要對葉片表面粘性邊界層流動進行求解，減少了葉片附近的網格數量，大大節省了建模和數值求解所需時間，最大程度上提高了三維流場的分析能力。圖1所示為改進致動面模型的計算流程圖，通過三維CFD計算，提取葉片展向不同位置的當地攻角及相對入流速度；根據流場信息，對葉片進行氣彈計算，得到當前氣彈響應；計算當地翼型的壓力係數分布並轉換成翼型平面的法向作用力，以體積力源項的形式添加到流場中進行迭代計算。
　　圖2所示為不同排布方式下的多風力機軸向切面渦量雲圖及渦量等值面圖。結果表明，改進致動面模型對尾流場進行模擬預測的結果與已有模型結論相吻合，具有較高的三維計算精度，適應於多風機尾流研究，能有效地模擬尾流摻混和能量耗散等現象；同時，分析表明改進致動面模型廣闊的應用場合，為風力機近尾流場的氣動特性研究及氣動模型發展提供參考依據。
　　該研究得到了國家自然科學基金項目（No.51376180）的大力支持，相關研究成果已在《工程熱物理學報》上發表。
 
圖1 改進致動面模型計算流程圖 
　 
圖2 改進致動面模型縱排(左)及錯排(右)排布下軸向切面渦量雲圖分布及等值面 

列印 責任編輯：葉瑞優

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