提高风力机叶型气动性能的研究

提高风力机叶型气动性能是发展大型风力发电设备的重要需求。本文针对改善风力机叶型气动性能这一问题,在风力机专用新叶型气动性能研究、利用定常吸气和振荡射流两种主动控制技术增加叶型升力和推迟失速等两个方面进行了数值和实验研究。研究工作具体内容和结论如下: 本文采用有限体积法以及基于压力修正的SIMPLE方法和k-ω为基础的SST湍流模型,在大范围攻角下对FFA和NACA两个系列的7种风力机叶型绕流流动进行了数值模拟,与实验结果对比证明了数值计算的可靠性。所得到的叶型气动性能数据,为工程设计提供了依据。 数值模拟结果表明,在相同的来流条件下,风力机专用叶型气动性能比传统叶型有较大提高,并且更符合风力机长叶片不同部位对叶型气动性能的要求。用于叶尖部分的薄叶型在小攻角下具有更高的升阻比;用于叶根部分的厚叶型具有更好的失速性能。通过分析,探讨了叶型的几何参数如厚度、最大厚度处距离前缘的距离等对叶型气动性能的影响规律,为我国设计和开发具有自主知识产权的风力机叶型提供了有意义的参考。 通过对NACA0015翼型头部施加定常吸气或振荡射流绕流流场的数值模拟,探讨了它们增加翼型气动性能的机理。数值模拟结果表明,定常吸气通过抽走翼型吸力面附近低能流体,增加了翼型吸力面附近流体的动能,提高了翼型的升力,减小了阻力;振荡射流将吸力面稳定的低能涡变成以一定频率脱落的强制分离涡,增加了翼型吸力面流体的动能,从而提高了翼型的升力。 通过数值模拟和风洞实验,探讨了定常吸气和振荡射流提高NACA0015翼型气动性能的规律,得到了施加定常吸气和振荡射流提高翼型气动性能的最有效位置区间、最优动量系数区间以及振荡射流的最优无量纲频率区间。