涡流发生器安装方式对风力机气动性能的影响

风力机工作中产生三维旋转效应(three-dimensional rotationaleffect,TDRE)。研究TDRE与涡流发生器(vortex generators,VGs)耦合作用下的流动控制机理是优化应用VGs的关键。采用转捩模型,对安装反向(Counter-)、同向(Co-)VGs的NREL Phase Ⅵ风力机进行数值模拟。通过分析不同转速、风速下的叶片吸力面流场分布、各剖面流场、压力系数和输出转矩,来探究TDRE作用下VGs安装方式的影响以及Co-VGs的作用机理。模拟结果与NREL试验数据进行对比验证,计算结果与试验值吻合良好,输出转矩最大误差为9.3%。研究结果表明,VGs提高了叶片的输出功率,推后了翼型表面的分离点,改善了叶片表面气动流场;VGs增大了翼型压差,在前缘位置更加显著;在叶片各剖面达到失速攻角前后,Co-VGs的作用效果优于Counter-VGs。研究结果对VGs的工程应用具有一定的理论指导意义。

风力机叶片三维数值计算方法确认研究

采用CFD软件包FINETM/TURBO,以两叶片NREL PhaseⅥ风力机的风轮为对象,进行了风力机风轮叶片三维绕流的定常粘性数值模拟研究。通过详细对比计算结果与实验数据(包括功率、叶片展向5个截面压力系数分布及沿叶展方向载荷系数分布),确认在大部分风速条件下数值模拟可以很好的预计风力机气动性能。然后分析了计算域尺度、边界条件和湍流模型等对数值模拟结果的影响,为采用CFD技术对实际风力机叶片三维气动性能进行精确数值模拟提供参考。

风力机叶尖涡的数值模拟

以NREL Phase叶片的1/8模型为对象,采用有限体积法求解不可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程组,模拟了风力机叶片的绕流和尾流,分析了叶尖涡的生成和发展过程。结果显示:在叶片尖部,从前缘开始生成的压力面一侧漩涡和从约1/2弦线开始生成的吸力面一侧漩涡在尾缘附近汇合并脱出形成叶尖涡;在近尾流区域,叶尖涡先局部向内迁移,但其原因并非风轮旋转;在远尾流区域,叶尖涡以接近线性的规律持续向外迁移;叶尖涡与叶根涡共同形成的涡系结构,在风轮下游相当一段距离仍然对尾流场产生显著的速度诱导,表明尾涡对风力机尾流场产生主导作用。

SST湍流模型参数校正对风力机CFD模拟的改进

以NREL PhaseⅥ叶片为对象,基于RANS方法开展CFD数值模拟研究,发展了先在二维翼型上校正湍流模型封闭常数然后用于三维旋转叶片数值模拟的方法。将在S809翼型上校正出的SST湍流模型封闭常数β*的最佳数值用于NREL PhaseⅥ叶片的数值模拟,可显著提高该叶片在失速状态下气动力的数值模拟准确程度。

上风型水平轴风力机塔架干涉的数值模拟

本文对NRELPhase VI上风型风力机叶片和塔架之间的干涉流动进行了三维非定常数值模拟。所有计算算例均采用ICEM-CFD划分的六面体网格,文章模拟计算了包括有无塔架两个模型分别在7,10和20 m/s三个来流速度下的6个算例。模拟结果发现,扭矩在180°方位角附近有瞬时突变的过程,但该波动值相对于整体性能影响较小,同时发现随着风速提高,塔架干涉的影响存在一个滞后的现象。在叶片经过塔架时,引起的截面流场和载荷的变化规律,为流场的优化提供参考。