水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

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水平轴风力机流场的数值模拟

水平轴风力机流场的数值模拟
本报告介绍了一项关于水平轴风力机流场的数值模拟实验研究。

在该研究中，使用了基于RANS求解方法的2110A-2112F模型，运用COMSOL MultiphysicsCFD模块，对前流场进行仿
真和模拟，以分析和预测水平轴风力机的性能。

模型中的场
变量包括速度、压力、粘度和速度梯度，分别为U，P，MU
和GRAD。

实验首先将计算空间分解为三维解空间，并使用不同的边界条件、流体属性和物理参数来模拟流动和传播现象。

在此基础上，以指标形式对模型进行了开发，以确保模型具有良好的泛函稳定性及有效性，同时考虑了桨叶角度、桨叶间距、流体性质和流速梯度、太阳能辐射等因素;并且一定的实验情况下，准确
预测和分析水平轴风力机流场的发展趋势，以及桨叶的最佳工作状态。

经过模拟，可以得出以下结论：当增大桨叶的角度时，桨叶的生产力相应增大，而桨叶之间的流动及压力分布也发生了变化；同时，当桨叶间距增加时，桨叶之间的压力和流动都发生了变化；此外，随着桨叶间距和角度的改变，太阳能辐射也会发生变化。

总之，本研究表明，RANS模型能够较准确的模拟和预
测水平轴风力机流场。

综上所述，本研究通过利用RANS模型，对水平轴风力机流
场进行了数值仿真，加深了我们对水平轴风力机性能和发展趋势的了解，为提高水平轴风力机的性能和可靠性提供了参考依据。

基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟

标题：基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟一、概述在风能的开发利用中，风力机叶片是至关重要的部件之一。

对于风力机叶片的设计，流场分析是不可或缺的一步。

基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟，是当前领域内的热门研究方向之一。

本文将从基本理论、数值模拟方法、实际应用和展望未来等方面进行全面评估和探讨。

二、基本理论基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟，首先需要了解马格努斯效应的基本原理。

马格努斯效应是指在流体中旋转的圆柱或球体上，由于离心力和压力差异引起的力，使得该物体产生一个垂直于流动方向的力。

在风力机叶片上，当风通过叶片时，叶片的旋转运动会引发马格努斯效应，从而增加叶片的升力，并使得风力机整体性能得到提升。

三、数值模拟方法针对基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟，常用的方法包括有限元法、有限差分法和计算流体动力学（CFD）方法等。

其中，CFD方法是当前应用较为广泛的一种数值模拟方法。

通过建立叶片的几何模型、设定边界条件和流动参数，利用数值计算的手段，可以较为准确地模拟出风力机叶片流场的细节和特征。

四、实际应用基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟，在实际应用中发挥着重要作用。

通过对叶片流场的数值模拟分析，可以优化叶片的设计，提高风力机的发电效率和稳定性。

也可为新型风力机叶片的设计提供重要参考，促进风能的可持续利用。

五、展望未来随着风能产业的快速发展和技术的不断创新，基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟仍有许多发展空间。

未来，可以进一步改进数值模拟方法，提高模拟精度和计算效率。

也可结合实验验证，加深对叶片流场行为的理解，为风能技术的进步提供更加可靠的支持。

六、个人观点和理解在我看来，基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟是一项具有广阔前景的研究领域。

通过深入探索马格努斯效应的作用机理，结合先进的数值模拟技术，可以为风力发电行业的发展注入新的活力，并为可再生能源的可持续利用提供坚实的技术支持。

水平轴风力机气动性能的三维数值计算

言
在风力机叶轮的设计过程中，对其气动陛能准确可靠的预测是极其重要的并且成为了空气动力学研究者
们的一个巨大的挑战。近年来，随着数值计算技术及计算硬件资源方面的不断进步，ＦＣＤ方法已经越来越广泛地被应用于风力机翼型以及全尺寸风轮的气动性能预测领域。国内外已经有很多的学者和研究机构采用不同
摘要：采用带转捩修正的七ＯＳＴ湍流模型对美国国家可再生能源实验室的失速控制型ＮＲＬＰａｅＩ一ＣＳＥｈｓＶ风轮
在几个不同来流风速下的气动性能进行三维数值模拟，并ＮＡＳｍｅ风洞试验结果以及无失速延迟修正的ＡＡｓ
升力面方法得到的结果进行对比分析。详细描述不同风速下风力机叶片周围的流场以及叶片吸力面极限流线分
Ｖ．Ｎｏ１１．０４
Ｏｔ０９ｅ２０．
中国科技论文在线
ＳｉｎｅａｅｌｅｃｅｃｐｐｒｉＯｎｎ
第卷第ｌ４０期
２００９年ｌＯ月
水平轴风力机气动性能的三维数值计算
俞国华，杜朝辉
（海交通大学机械－动力工程学院，上海２０４）上ｂ－０２０
ＹｕＧｕｈｕｏａ，ＤｕＺｈａｈｉｏｕ
（ｃｏｌｆＭｅｈｎａｎｉｅｒｇＳａｇａａ而Ｕｉｒｉ，ｈｎｈｉ０２０Ｃｉ）Ｓｈｏｏｃａｉｌｇｎｅｉ，ｈｎｈｉｉｏｃＥｎＪｎｖｓｙＳａｇａ０４，ｈａｅｔ２ｎ
Ａｂｔａｔ．ｎｍｅｉａａｃｌｔｏｆａｒｄｎｍｉｅｆｒｎｃｔｌｒｇｌｔｄＮＲＥＬａｅＶＩＲｏｏｓｒｃ：３ＤｕｒｃｌｃｌｕａｉｎｓｏｅｏｙａｃｐｒｏｍａｅｏｆｔｓａｌｅｕａｅｈｅＰｈｓｔｒｕｅｉｅｅｔｉｌｏｗｉｓｅｄｒａｒｅｕｔｅｐｌｃｔｏｆ｜一＆ｎｄｒｄｆｒｎｎｆｗｎｄｐｅｓａｅｃｒｉｄｏｔｗｉｈｔａｐｉａｉｎｏｊ）ＳＳｔｒｕｅｃｄｌｗｉｈ｝Ｔｕｂｌｎｅｍｏｅｔｈｔａｓｔｎｃｒｅｔｏ．ＴｈａｃｌｔｄｒｓｌｓａｅｔｎｃｍｐｒｄｗｉｅＮＡＳＡｍｅｎｕｎｅｅｔｎｏｅｒｎｉｏｏｒｃｉｎｉｅｃｌｕａｅｅｕｔｒｈｅｏａｅｔｔｈｈＡｓｗｉｄｔｎｌｔｓｓａｄｔｓｈｆｏｔｅｌｔｕｆｃｔｏｓｗｉｈｕｔｌｄｌｙｍｏｅｓＴｈａｅｌｏｒｐｅｅｔｎｄｍｉｔｅｆｏｆｅｄａｏｎｄｔｅｒｍｈｉｒａｅｍｅｈｄｔｏｔａｌｅａｄｌ．ｅｐｐｒａｓｅｒｓｎｓｉｅ１ｗｌｒｕｆｓｓｌｈｉｈｂａｅｕｅａｉｕｎｐｅｎｈｅｄｓｒｂｔｎｏｅｌｍｉｉｇｓｒａｉｅｎｔｅｓｃｉｎｓｒａｅｏｅｒｔｒｌｄｎｄｒｖｒｏｓｗｉｄｓｅｄｓａｄｔｉｔｉｕｉｆｔｉｔｔｅｍｌｎｓｏｈｕｔｕｃｆｔｏｏｏｈｎｏｆｈｂａｅＡｎｌｓｓｓｏｈｔＤｔｏｏｏｙｃｎａｃｒｔｌｒｄｃｎｄｔｒｉｅｐｗｅｄｓａｗｉｅａｒｄｎｍｉｌｄ．ａｙｉｈｗｓｔａＣＦｍｅｈｄｌｇａｃｕａｅｙｐｅｉｔｗｉｕｂｎｏｒａｐｎｓｅｏｙａｃｎｌａｓａｄｗｉｕｅｙｂｒｎｒｄｌｅｎｔｅｗｉｄｔｒｉｅｄｓｇｎｅｏｍａｅｐｅｉｔｎ．ｏｄ，ｎｌｓｌｅｍｏｅａｄｍｏｅｗｉｅｙｕｓｄｉｎｂｎｅｉｎａｄｐｒｒｎｃｒｄｃｉｌｒｈｕｆｏＫｅｒｓｐｗｅｃｉｅｙａｄｅｇｎｅｎｇ；ｗｉｄｔｒｉｅ；ａｒｄａｃｐｒｏａｃｙｗｏｄ：ｏｒｍａｈｎｒｎｎｉｅｒｉｎｂｎｕｅｏｙｍｉｅｆｒｎｅ；ｎｍｅｃｌｉａｉｎｌｎｍｕｒａｍｕｌｔｏｉｓｔｒｕｅｃｄｌｕｂｌｎｅｍｏｅｓ

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟_铁庚

2013 年第 41 卷第 3 期
文章编号： 1005 － 0329 （ 2013 ） 03 － 0029 － 05
流
体
机
械
29
水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟
铁庚，祁文军
（新疆大学，新疆乌鲁木齐 830047 ）摘要：为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性，利用计算流体力学软件 FLUENT 对水平轴风力机叶
［11 ］
（ a） FFA － W3 － 211
（ b） FFA － W3 － 301
。
10 示出选取翼型在攻角为 10° 情况下图 9，的压强和流速。
（ c） NACA63 － 215 图 10 3 种翼型在攻角为 10° 时的压强
通过观察以上翼型在相同攻角条件下的压
（ a） FFA － W3 － 211
收稿日期：基金项目： 2012 － 04 － 25 修稿日期： 2013 － 01 － 05
。
。
新疆科技重点专项（ 201130110 ）
30
FLUID MACHINERY （ ρ u x ）（ ρ u x ）（ ρ u y ） + ux + uy t x y ux uy p +u =－ 2 + 2 x x y C— — —翼型弦长（ 2）
［7］
3
翼型的气动性能当气流流经翼型叶片时，叶片下面的气流压
力几乎保持不变，叶片上表面气流速度增高，压力，，下降于是叶片受到了向上的作用力可分解为与气流方向平行的阻力和与气流方向垂直的升力。 3． 1 阻力系数通常用翼型阻力系数 C d 随攻角变化的曲线也可以用翼型阻力系数来表示翼型的阻力特征，翼型的阻随翼型升力系数变化的极曲线来表示，力系数定义为： C d = F d / （ 0 ． 5 ρV2 o C）式中 Fd — — —翼型所受升力 — —气体密度 ρ— Vo — — —来流速度（ 5）

风力发电水平轴叶片设计及动态过程仿真研究

风力发电水平轴叶片设计及动态过程仿真研究在当今减少化石燃料使用的形势下，风力发电作为一种可再生能源得到越来越广泛的利用。

作为风力发电机的核心部件之一，水平轴叶片的设计和优化对于风力发电机的效率和可靠性至关重要。

本文将从水平轴叶片的设计和动态过程仿真两个方面进行探讨。

一、水平轴叶片的设计1、基本构造对于水平轴风力发电机来说，叶片是最为关键的部分。

它直接承受风力的作用，将其转化为机械能，从而驱动发电机发电。

一般来说，水平轴叶片由根部、稳定段、弯曲段和空气动力学剖面组成。

其中，稳定段用于稳定叶片，弯曲段用于转向风力，而空气动力学剖面则决定了叶片的气动性能（如气动力和噪音）。

2、设计要点水平轴叶片的设计主要包括两个方面：第一是如何降低风力损失，提高转速和输出功率；第二是如何保证叶片的可靠性和长期稳定性。

为达到这一目的，需要考虑以下几个要点：（1）形状：叶片的形状对气动力性能影响很大。

目前国际上广泛采用的是“洛克曼涡轮鼻形叶片”，其特点是中央部分比两端略宽，使得空气更容易通过，从而减小阻力，提高效率。

（2）材料：叶片材料应具备高强度、低密度、抗疲劳和抗腐蚀等特性，一般采用玻璃钢或碳纤维增强树脂复合材料。

（3）重量：重量是影响叶片转速和输出功率的因素之一。

一般来说，重量越轻，转速就越高、输出功率就越大。

但是过轻的叶片可能导致振动和损耗加剧，因此需要在轻量化和强度之间找到平衡点。

（4）噪音：噪音是一项重要的考虑因素。

为了减少音量，需要采用优化的叶片形状和节距，并尽可能使叶片转速低于音速。

（5）制造工艺：叶片的制造工艺对于成本和质量至关重要。

传统的手工制造已经逐渐被自动化和数字化制造所代替，使得叶片的生产效率和精度得到了大幅提高。

二、动态过程仿真研究水平轴叶片作为动力机械的核心部件之一，在运行过程中其受力和受力状态会不断发生变化。

为了进一步了解叶片在实际使用中的性能表现和损伤情况，需要通过动态过程仿真研究来模拟叶片的运动过程和受力变化。

水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

清洁能源与新能源水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟闫海津,李佳,胡丹梅(上海电力学院能源与环境工程学院,上海200090)摘要:为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性,利用计算流体力学软件FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型NACA63425流场进行了数值模拟,得出了翼型NA-CA63425在不同来流攻角下的升力系数、阻力系数、升阻比和不同流攻角下的流场流线图和翼型表面的压力分布。

根据模拟结果对不同攻角下尾迹漩涡分离流动进行了分析和比较,得出该翼型气动特性随攻角的变化规律。

关键词:翼型;流场;尾迹分离;数值模拟中图分类号:T K83 文献标志码:B 文章编号:1005-7439(2010)02-0081-04Numerical Simulation on the Airfoil Flow Field of Horizontal Wind Turbine BladesYAN Ha-i jin,LI-Jia,HU Dan-mei(Scho ol of T hermal power&Environmental Engineer ing,Shanghai U niv ersity of Electr ic Po wer Shang hai200090,China)Abstract:T o discuss and analyze the air foil of ho rizo ntal wind tur bine blades mor e dir ect v iew ing and viv id,the airfo il N ACA63425used widely in the hor izontal w ind tur bine blades is numerically investigated by the Co mputatio na l F luid Dy namics softw are.T he co ef ficient s of lift and drag as well as the pr essure and velo city distr ibut ion are calculated in different angle of flow at tack fo r air foil N A CA63425.A nalysis and co mpar ison the vor tex separat ion flo w under the different ang le of flow attack,which wo rks o ut the aero dy namics cha racterist ics o f the airfo il N A CA63425.Keywords:a irfo il;flow;vo rtex separ ation;numerical simulation水平轴风力机运行时,如果翼型来流的攻角较大,绕翼型的流动边界层就会严重分离,因此准确获得翼型的气动特性对于风力机叶片设计非常重要,但是这种复杂的分离流动现象采用试验的方法测量非常困难,而且大量的试验将使翼型的设计周期延长和成本增加。

基于LBM-LES方法风力机流场的数值模拟

第３１卷第来自２期２０１７年６月
南昌航空大学学报：自然科学版
ＪｏｕｎａｒｌｏｆＮａｎｅｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏ１．３１．ＮＯ．２
典型的ｉ叶片水平轴风力机自由旋转风轮复杂的湍流流场进行了数值模拟。风力机一般是在风的作用下做绕固定轴非定速
旋转运动，传统的计算流体力学（ＣＦＤ）方法对其复杂流场的研究存在一定的困难。ＬＢＭ方法ｊ维粒子速度模型为Ｄ３Ｑ２７，
ＺＯＵＳｅｎ，ＬＩＵＹｏｎｇ，ＦＥＮＧＨｕａｎ — ｈｕａｎ，ＺＨＡＯＧｕａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｉｒｃｒａｔｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ）
ＬＥＳｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｂｏｔｈＬａｔｔｉｃｅＢｏｈｚｍａｎｎＭｅｔｈｏｄ（ＬＢＭ）ａｎｄＬａｒｇｅＥｄｄｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）．Ｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ
ＬＥＳ则采用了Ｗａｌｌ－ＡｄａｐｔｉｎｇＬｏｃａｌ－Ｅｄｄｙ亚格子模型对湍流进行模拟。数值结果表明：ＬＢＭ．ＬＥＳ方法能够比较好地捕捉风力机复杂的非定常湍流流场细节及其特征。

基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟

基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟文章标题：基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟与分析1. 引言在风能利用领域，风力机是一种常见的设备，其叶片设计对能量转换效率起着关键作用。

本文将从数值模拟的角度，探讨基于马格努斯效应的风力机叶片流场，并分析其特性与优势。

2. 马格努斯效应简介马格努斯效应是指当圆柱体或球体等物体绕其自身轴线旋转时，会产生气动力效应，导致物体受到垂直于流动方向的力的作用。

这一效应在风力机叶片上的应用，可以带来额外的升力，增加了风力机的转动力矩，提高了能量转换效率。

3. 数值模拟方法为了深入理解马格努斯效应对风力机叶片流场的影响，我们采用计算流体力学（CFD）方法进行数值模拟。

以SST k-omega湍流模型为基础，建立了风力机叶片的数学模型，并通过计算得到了叶片表面的流场数据。

4. 模拟结果分析通过数值模拟，我们得到了风力机叶片表面的压力分布、速度分布等流场数据。

可以观察到在叶片旋转时，马格努斯效应导致了气流的非对称分布，使得叶片上表面产生了额外的升力，从而增加了叶片的转动力矩。

5. 马格努斯效应在风力机中的应用基于马格努斯效应的风力机叶片设计，可以更好地利用风能资源，提高了风力机的性能。

马格努斯效应也为风能利用领域带来了新的设计思路，对未来的风力机研发具有重要意义。

6. 总结与展望本文通过数值模拟和分析，深入探讨了基于马格努斯效应的风力机叶片流场。

马格努斯效应不仅可以提高叶片的升力和转动力矩，还有利于风能利用领域的创新发展。

未来，我们可以进一步研究马格努斯效应在其他领域的应用，为可再生能源领域的发展做出更多贡献。

个人观点和理解：马格努斯效应作为一种重要的气动力现象，对于风能利用领域具有重要意义。

通过数值模拟，我们可以清晰地观察到马格努斯效应对风力机叶片流场的影响，这为优化叶片设计提供了有力支持。

未来，随着科技的不断发展，我们可以更深入地研究马格努斯效应，探索其在风能利用领域以及其他领域的更广泛应用。

水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

ｖｌｃｔｉｔｂｔｎｏｏｅｄａｄｔｅｐｅｓｒｎｅｏｉｉｔｂｔｎａｏｎｅｂａｅｅｅｏｉｄｓｉｕｉｆｆｗｆｌｎｈｒｓｕｅａｄｖｌｃｔｄｓｉｕｉｕｄｔｌｄｓａｙｒｏｌｉｙｒｏｒｈｒ
算，风轮和整机的气动性能还主要依靠风洞实而验来获得．过对风力机流场的数值模拟，以获通可
力发电机组的广泛应用，对风力机气动性能的预测研究越来越受到重视．目前，国内一些风力机研
收稿日期：２００３０９— ６— ０
风力机是将自然界的风能转换成机械能并获得电能的装置．水平轴风力机风轮气动性能对整个风力机的运行特性和使用寿命起决定作用．随着风力发电技术在我国的进一步推广和风
究机构对翼型的气动性能进行了大量的模拟和计
ＹＮＨｉｉ，ＵＤｎｍｅ，ＩｉＡａ－ｎＨａ — ｉＬａｊＪ
（ｃｏｌｆＴｅａｏｅｎｎｉｎｅｔｌｎｉｅｎ，ｈｎｈｉｎｖｒｔＳｈｏｏｈｒｌｗｒｄＥｖｏｍｎａＥｇｎｒｇＳａｇａｉｓｙｍＰａｒｅｉＵｅｉｏｌｔｃＰｗｒＳａｇｉ２０９Ｃｉ）ｆＥｅｒｏｅ，ｈｎｈ０００，ｈｎｃｉａａ
取叶片的部分气动性能，而且数值模拟的成本要远低于风洞实验的成本．因此，用数值模拟方法采来研究风轮的气动性能对于优化风力机叶片和提

叶片流动场数值模拟技术研究

叶片流动场数值模拟技术研究在现代工业发展中，涡轮机械是重要的能量转化装置，而叶片作为涡轮机械中最重要的部件，则承载着最为关键的功能。

随着科技的发展，数值模拟技术也在叶片流动场研究中发挥了越来越重要的作用。

下面，我们将从叶片流动场数值模拟技术的研究现状、应用优势等方面进行深入分析。

叶片流动场数值模拟技术研究现状叶片的流动特性与设计参数有密切关系，而叶片流动场数值模拟技术为研究叶片的流动特性提供了一种高效可靠的方法。

如今，研究者们常常会使用数值模拟技术进行叶片流动场的研究。

此外，叶片流动场数值模拟技术的发展也得到了很大的推动。

尤其是计算机技术的日新月异，为叶片流动场数值模拟技术的研究带来了更为广泛的应用。

研究者们也借助现代大型计算机的高性能处理，通过模拟渐进叶型、不同流动条件等因素下的叶片流动场，更深入地了解叶片的工作状态。

叶片流动场数值模拟技术的应用优势叶片流动场数值模拟技术的应用优势不言而喻，其主要体现在以下几个方面。

首先，叶片流动场数值模拟技术采用模拟方法，可以大大减少实验室测试带来的时间和成本浪费。

而且，数值模拟技术还可以通过细致的计算方法，更加准确地反映叶片的流动特性，进一步提高实验结果的可靠性。

其次，叶片流动场数值模拟技术可以对叶片的流动特性进行直观的展示。

如使用流线图对叶片流动场进行可视化展示，可以更加清晰地反映叶片工作状态，进而帮助工程师们进行叶片性能的评估。

此外，叶片流动场数值模拟技术还可以针对具体工况条件进行模拟计算。

比如，对于某些复杂的实际流动情况下，叶片流动场数值模拟技术可以极其灵活的进行计算分析。

有待研究的问题与趋势但是，叶片流动场数值模拟技术的发展也面临一些问题和挑战。

首先，以往的叶片流动场数值模拟技术可以很好地考虑涡覆盖，但却不一定能够很好地考虑非光滑表面的流动。

随着计算机技术的发展，研究者们还需要对这一问题进行深入研究。

其次，在叶片流动场数值模拟技术中，如何选取合适的数值计算模型也是研究的问题之一。

水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

ＴＩＥＧｅｎｇ，ＱＩＷｅｎ — Ｊｕｎ
（ＸｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ８３００４７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｄｉｓｃｕｓｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｏｆａｉｆｏｒｉｌｏｆｈｏｉｒｚｏｎｔｌａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｍｏｒｅｄｉｒｅｃｔｖｉｅｗｉｎｇ
中图分类号：ＴＨ４４；ＴＫ８文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５— ０３２９．２０１３．０３．００７
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＡｅｒｏｆｏｉｌｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅ
ｎｕｍｅｉｃｒｌｌａｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｔｈｅＦＬＵＥＮＴ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｄａｔａａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｄａｔａｈａｓｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｉｒｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｖａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｕｍｅｉｒｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｅｓｉｓｈｅｌｐｆｕｌｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｒｏｍａｒｎｃｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆａｅｒｏｆｏｉｌｆｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎｄｓｕｐｐｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｌａｐａｒａｍｅ — ｔｅｒｓａｎｄａｄｖｉｃｅｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｂｌａｄｅａｅｒｏｆｏｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ａｅｒｏｆｏｉｌ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅ；ｎｕｍｅｉｒｃｌａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

水平轴风力机数值模拟研究的开题报告

水平轴风力机数值模拟研究的开题报告一、选题背景及意义随着能源需求的不断增长，风能作为一种清洁、可再生的能源逐渐受到了广泛关注。

而水平轴风力机作为最常见的风力发电设备之一，其研发和改进一直是风能领域的热门话题之一。

数值模拟作为一种有效的研究手段，能够模拟和分析风轮、塔架和叶轮等各组成部分的能量转换效率，预测风力机的风能捕捉能力及功率输出等重要指标，对于风力机研发与设计有明显的优势。

因此，本文拟开展水平轴风力机数值模拟研究，旨在通过数值模拟技术，分析水平轴风力机在不同运行工况下的性能特征、能量转换效率及与流体力学特性的关系，为风能发电技术的推广和应用提供重要的理论参考和支持。

二、研究内容和技术路线本文将以数值模拟为手段，研究水平轴风力机在不同运行工况下的性能特征和能量转换效率，探究不同参数对风力机性能的影响规律。

具体内容包括：1.分析水平轴风力机的结构特点和运行原理，制定数值模拟方案；2.建立水平轴风力机的数值模型，采用计算流体力学（CFD）方法，模拟风力机的运行过程；3.评估水平轴风力机的运行性能，分析风轮、塔架和叶轮等各组成部分的能量转换效率，并拟探究叶片数、叶片长度、转速等参数对水平轴风力机性能的影响；4.通过实验数据验证模拟结果，并对模拟结果进行精度和可靠性评估。

技术路线：1.建立数值模型。

根据风力机实际情况，结合计算流体力学（CFD）方法，建立水平轴风力机的数值模型；2.分析风力机性能。

通过数值模拟，分析水平轴风力机在不同运行工况下的性能特征、能量转换效率及与流体力学特性的关系；3.进行实验验证。

设计并搭建水平轴风力机试验平台，采集实验数据，与数值模拟结果进行比对；4.数据处理和分析。

对实验数据和数值模拟数据进行处理和分析，评估模拟结果的精度和可靠性，总结研究结论。

三、预期成果和意义本文将通过数值模拟和实验验证，研究水平轴风力机在不同运行工况下的性能特征和能量转换效率，以及不同参数对水平轴风力机性能的影响规律。

风力机叶片流固耦合数值模拟

风力机叶片流固耦合数值模拟流体动力学基本方程：流体动力学基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

这些方程描述了流体在运动过程中的物理量守恒关系。

结构动力学基本方程：结构动力学基本方程包括弹性力学基本方程、动力学基本方程和本构关系等。

这些方程描述了固体在力学作用下的变形和应力响应。

流固耦合界面条件：流固耦合界面条件包括流体与固体之间的压力、位移和温度等物理量的匹配关系。

这些条件描述了流体与固体之间的相互作用和能量交换。

风力机叶片流固耦合数值模拟方法基于有限元方法的流固耦合数值模拟：该方法将风力机叶片离散成一系列小的单元，通过对每个单元进行流固耦合分析，得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。

基于有限体积方法的流固耦合数值模拟：该方法将风力机叶片包围在一个系列的计算网格中，通过对每个网格进行流固耦合分析，得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。

基于无网格方法的流固耦合数值模拟：该方法不需要对风力机叶片进行离散化处理，而是通过在空间中分布一系列的点，通过对这些点的流固耦合分析，得到整个风力机叶片在流体作用下的动态响应。

风力机叶片流固耦合数值模拟应用风力机叶片设计：通过流固耦合数值模拟，可以模拟出不同设计方案的风力机叶片在各种风速、风向和湍流度条件下的性能表现，从而优化设计参数和提高效率。

风力机叶片疲劳分析：通过流固耦合数值模拟，可以模拟出风力机叶片在各种工况下的疲劳损伤过程和失效模式，从而评估其使用寿命和可靠性。

风力机系统动态特性分析：通过流固耦合数值模拟，可以模拟出整个风力机系统的动态特性和稳定性表现，从而优化控制系统和降低运行风险。

结论风力机叶片流固耦合数值模拟是风力发电机设计和优化过程中的重要技术手段，可以模拟出风力机叶片在各种工况下的性能表现和动态响应。

本文介绍了流固耦合数值模拟的基本原理、方法和应用，希望能够对大家有所帮助。

随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式，已经得到了广泛应用。

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟高翔;胡骏;王志强;张晨凯【摘要】通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry ,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dy-namics ,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究.在风洞开口实验段,来流风速为8 m/s ,针对不同尖速比(λ＝4 ,8)利用 PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试.通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节.在8 m/s来流风速下,当尖速比大于7 .4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致.尖速比小于7 .4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低.通过速度矢量分布可以看出,在λ＝4时,PIV测得靠近叶根的两个截面 S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在 S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区.在λ＝9 .8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离.尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值.%A three-dimensional horizontal axis wind turbine model is tested and numerically studied .The test is carried out in a laboratory wind tunnel .With PIV measurement ,the flow fields around the blade in varied rotating speed and wind speed are obtained .Furthermore ,the test result is compared with CFD simulation to study the flow fields in moredetail ,especially the graphs of the velocity vector ,un-der different operating conditions .The relatively good agreement between the test and numerical results is achieved in some conditions .Besides ,under some conditions ,the test results are different from the numerical ones .To find the reason of the difference ,the numerical simulation with transitionmodel is carried out .Results show that with a consideration of laminar flow and transition process ,the calculated wind turbine torque is closer to the test value .【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)003【总页数】8页(P375-382)【关键词】粒子图像测速;计算流体力学;水平轴风力机;速度矢量分布;转捩模型【作者】高翔;胡骏;王志强;张晨凯【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016;山东交通学院航空学院,济南,250357;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机的气动性能研究对现代风能利用有重要意义。

水平轴风力机风轮气动性能数值模拟

．
摘要：以某上风向定桨水平轴风力机风轮为研究对象进行数值
模拟，采用不可压ＮＳ — 方程和
ＳＴＳＮ方程湍流模型，数值模
拟了不同风速下风力机风轮的流动特性。结果表明：随着风速的增大，靠近叶片中部截面最先发生失速。在此基础上，分析了叶片整体的压力与速度分布。关键词：风力机；数值模拟；气动性能；失速
计冀区域和格划分
流场计算域分为两部分：内部旋转域和外部流
场。采用多重参考系来解决风轮和外部流场之间的耦合问题，算区域如图ｌ计所示。
０引言
随着风能利用在我国的深入推广，风力机气对动性能的预测研究，越来越受到重视。目前，国内一
０
０ｉ００黪｝
第２４卷
第６期
电网与水力发电进展
５５
１／、５ｍｓ２／和２／３ｍｓ１／、０ｍｓ５ｍｓ１下风力机风轮的流
动进行数值模拟，通过分析不同叶展截面和叶片整
体的绕流流动，获得了流场的主要特征０年６月０８
Ｊｎ２０ｕ．０８
文章编号：６４００（０８０ — ０４０１７ — ０９２０）６０５ — ４
中图分类号：Ｋ３Ｔ８
文献标志码：Ａ
承
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刘楠，廖伟丽，王伟峰
（西安理工大学水利水电学院，西安
一删～一～～一惭～一一＝萋．～一胁＿～＝一一ｎ二、耋～薹～一．兰

基于CFD的水平轴风力机数值模拟

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｆｅａｓｉｂｉ１ｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉ１ｉｔｖ．ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｍｏｒｅｒｅａｌｉｓｔｉＣＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｓｈｅａｒｉｎｆｌｏｗＳｉｔｕａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｗｉｎｄｓｈｅａｒｍａｋｅｓｎｏｔｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｗｅｒ，ｉｎｓｏｍｅｃａｓｅｓ，ｗｉｎｄｓｈｅａｒｆａｃｔｏｒｓｃａｎｂｅｉｇｎｏｒｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ＣＦＤ；ＮＲＥＬ１０：ｗｉｎｄｓｈｅａｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵＧｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙＮＲＥＬ１０ｔｗｏｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＦｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＣＦＤ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｔｈａｔ０ｆｅｘＤｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｉｎｆｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｂｌａｄｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｗｅｒｅ

211247582_四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟

第４５卷第３期２０２３年５月沈　阳　工　业　大　学　学　报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ４５Ｎｏ３Ｍａｙ２０２３收稿日期：２０２２－０３－２１．基金项目：国家自然科学基金项目（５１９０８１０７）；国家级大学生创新创业训练计划项目（２０２１１０２２５０３５）．作者简介：辛大波（１９７８－），男，黑龙江克东人，教授，博士，主要从事结构风效应流动控制等方面的研究．ｄｏｉ：１０．７６８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１６４６．２０２３．０３．１１四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟辛大波１，李佳宇１，张洪福１，薛志成２，王　健１（１东北林业大学土木工程学院，哈尔滨１５００４０；２广东石油化工学院建筑工程学院，广东茂名５２５０００）摘　要：为了掌握小型风力机尾流特征，并实现其尾流快速模拟，以小型四叶片水平轴风力机为研究对象，采用大涡模拟（ＬＥＳ）研究了其尾流时空分布特征，提出了基于致动盘模型（ＡＤ）的风力机尾流的快速模拟方法．结果表明，小型四叶片水平轴风力机尾流较复杂，尾流区存在多种类型的涡结构，导致尾流存在严重速度亏损，湍流度剖面出现两个峰值，利用致动盘模型可以准确地计算风力机尾流的速度亏损，实现风力机尾涡动力行为的快速模拟．关　键　词：水平轴风力机；大涡模拟；快速模拟；尾流；涡结构；致动盘；尾流亏损；湍流度中图分类号：ＴＫ８１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－１６４６（２０２３）０３－０３０６－０７ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｍａｌｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｆｏｕｒｂｌａｄｅｓＸＩＮＤａｂｏ１，ＬＩＪｉａｙｕ１，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇｆｕ１，ＸＵＥＺｈｉｃｈｅｎｇ２，ＷＡＮＧＪｉａｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｏｍｉｎｇ５２５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｍａｌｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｉｔｓｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｓｍａｌｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｆｏｕｒｂｌａｄｅｓｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）ｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｓｐａｃｉａｌｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｔｓｗａｋｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃ（ＡＤ）ｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗａｋｅｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｔｙｐｅｓｏｆｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｗａｋｅ．Ａｓｅｖｅｒｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔａｎｄｔｗｏｐｅａｋｖａｌｕｅｓａｒｅａｌｓｏｏｂｓｅｒｖｅｄｆｏｒｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅＡＤｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｗａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｃａｎｂｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｆｏｒｗａｋｅｖｏｒｔｅｘ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆａｓｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗａｋｅ；ｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃ；ｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｆｉｃｉｔ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ风能是一种清洁、丰富的可再生资源，在全球变暖和资源枯竭的背景下，风力发电变得越来越重要．在实际工程中，风力机总是在某一风能资源丰富的区域分布式排列．当来流风受到上游风力机的干扰作用时，风速降低，脉动成分增强，将严重影响下游风力机的性能，主要体现在两个方面：１）上游尾流区域的速度损失降低了下游风力机的输出功率；２）尾流区域的高湍流会导致下游风力机的动态负荷增加，影响风力机的使用寿命．因此，研究风力机尾流特征对于有效收集风能以及保证风力机的结构安全至关重要．目前，针对风力机尾流的研究主要有两种方法：风洞试验和数值模拟．风洞试验可以准确地获得速度损失和尾流湍流特性［１－３］．但由于实验室尺寸条件的限制，只能开展风力机近尾流区域的流动特性的相关研究，对远尾流区域的速度损失和湍流特性的研究鲜有文献报道．与风洞试验相比，基于计算流体动力学（ＣＦＤ）的数值模拟方法［４－６］不受Copyright ©博看网. All Rights Reserved.尺寸的影响，且可同时获取全区域的速度场分布，发展潜力巨大．Ｓｅｄａｇｈａｔｉｚａｄｅｈ等［７］研究了ＬＥＳ数值模拟方法在风力机流场分析方面的可行性，结果表明，ＬＥＳ可以精确地模拟风力机尾流特征；ＨｏｒｎｓｈｊＭｌｌｅｒ等［８］采用ＣＦＤ方法精确地模拟了风力机尾流速度亏损和湍流强度；Ｍｏ等［９］结合大涡模拟研究了风力机尾流特性，指出５倍风力机直径是近、远尾流的分界线，且风速越大，近尾流区的长度越长．尽管ＣＦＤ方法广泛用于预测风力机的空气动力学性能及风力机尾流特征的研究中，但由于高精度的模拟需要解析风力机叶片的边界层特征，计算时间长并且成本较高［１０］．鉴于此，众多学者提出了无需实体风力机的致动盘ＣＦＤ源项模型［１１－１２］．Ａｍｉｎｉ等［１３］使用致动盘方法对风力机的三维修正空气动力系数进行了数值模拟；任会来等［１４］针对现有致动盘模型高估尾流速度的问题，对动量源项进行修正，以正确反映风轮对来流的作用，结果表明，对耗散率源项进行修正可以提高模拟的精度并且可以准确模拟不同风力机排列方式下的尾流特征；刘鑫等［１５］将ＣＦＤ与致动盘方法相结合，研究了风力机尾流发展特点，验证了该方法可以精准模拟风力机尾流．目前，风力机尾流的相关研究主要集中在大型风力机上，而很少关注小型风力机设备．由于小型风力机可以从低风速中获取风能，在城市市区、乡村近郊区等低风速区域逐渐被广泛使用．此外，当小型水平轴风力机在工作状态时，叶片旋转会产生顺流向涡．该类型涡结构已被证实可有效抑制大跨建筑、大跨桥梁风效应，提高工程结构抗风能力．本课题组采用风洞试验验证了小型水平轴叶片对于抑制大跨桥梁主梁涡激振动的有效性［１６］．基于此，本文以四叶片小型水平轴风力发电机为研究对象，建立真实风力机的全三维模型，并采用大涡模拟研究该风力机的近、远尾流定量化特征，提出能够进行快速计算的风力机尾涡致动盘模型，通过风洞试验验证数值模拟与模型的准确性．１　致动盘模型和数值模拟方法１１　致动盘模型风力机的扫掠范围是圆形的，可将风力机简化为一个圆柱形的致动盘模型．当风通过风轮时风速会减小，风力机后面的压力阶梯发生变化，理论示意图如图１所示．假设来流速度为ｖ０，根据风轮机的阻力系数，可以得到轴向力［１７］为Ｔ＝１２ρ０ＣＴｖ２０（１）式中：ρ０为空气密度，ρ０＝１２２５ｋｇ／ｍ３；ＣＴ为阻力系数．应用于ＡＤ模型的单位体积源项的表达式为Ｓ＝ρ０ＣＴｖ２０２Δｘ　（２）式中，Δｘ为致动盘厚度，Δｘ＝０２ｍ．图１　一维动量理论示意图Ｆｉｇ１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｙ１２　数值模拟方法大涡模拟方法可直接求解大尺度湍流，对于小尺度湍流，仅利用模型考虑其对大尺度运动的作用，而不直接进行求解．因此，ＬＥＳ需对ＮＳ方程进行空间过滤，过滤后的连续性方程和ＮＳ方程表达式［７］为 ρ ｔ＋ｘｉ（ρ珔ｕｉ）＝０　（３）ｔ（ρ珔ｕｉ）＋ｘｊ（ρ珔ｕｉ珔ｕｊ）＝－珔ｐｘｉ＋ σｉｊｘｊ－ τｉｊｘｊ（４）式中：珔ｕｉ（ｊ）为Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向的速度，ｉ、ｊ＝１，２，３分别对应着Ｘ、Ｙ、Ｚ方向；ｔ为时间；ρ为流体密度；ｐ为流体压力；σｉｊ为由分子黏度引起的应力张量，其表达式为σｉｊ＝μ珔ｕｉｘｉ＋珔ｕｊｘ()[]ｉ－２３μ 珔ｕｉｘｉδｉｊ　（５）其中：μ为动力黏度；δｉｊ为克罗内克符号，当ｉ＝ｊ时δｉｊ＝１，ｉ≠ｊ时δｉｊ＝０．τｉｊ为亚格子应力（ｓｕｂｇｒｉｄｓｃａｌｅｓｔｒｅｅｓｅ，简称ＳＧＳ应力），体现了小尺度涡的运动对所求解运动方程的影响，定义为τｉｊ＝ρｕｉｕｊ－ρ珔ｕｉ珔ｕｊ　（６）本文采用工程中常用的ＳｍａｇｏｒｉｎｓｋｙＬｉｌｌｙ亚格子模型，计算亚格子应力最常用的方法是利用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ涡粘假设［１８］．将τｉｊ表示为正应力与偏向应力，即τｉｊ＝２ｖｔ珔Ｓｉｊ－１３珔τｋｋδｉｊ　（７）式中：珔Ｓｉｊ＝１２珔ｕｉｘｊ＋珔ｕｊｘ()ｉ为应变率张量；ｖｔ为湍流粘度；珋τｋｋ为正应力．７０３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.将正应力和亚格子动能ｋＳＧＳ联系起来，ｋＳＧＳ＝１２τｋｋ，则有１３δｉｊτｋｋ＝２３１２τ()ｋｋδｉｊ＝２３ｋＳＧＳδｉｊ　（８）亚格子应力表示为τｉｊ＝－２ξＳＧＳ珔Ｓｉｊ＋２３ｋＳＧＳδｉｊ　（９）式中，ξＳＧＳ为亚格子尺度粘度，在Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型中，其表达式为ξＳＧＳ＝ρＣｋΔｋ槡ＳＧＳ　（１０）将式（１０）代入式（９），则有ｋＳＧＳ＝２ＣｋＣｅΔ２珔Ｓ２ｉｊ　（１１）式中：Ｃｋ、Ｃｅ为Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型无量纲系数，Ｃｋ＝００６７６，Ｃｅ＝０９３；Δ为滤波器过滤尺度．Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模式是根据唯象论推出的剪切湍流亚格子模型，该模型概念简单、易于实施，在风力机模拟中应用较为广泛［１８］．故本文采用工程中常见的ＳｍａｇｏｒｉｎｓｋｙＬｉｌｌｙ亚格子模型．２　模型建立及网格划分本文以四叶片小型水平轴风力机为研究对象，重点研究该风力机叶片的尾流特征，仅对风力机叶片（忽略轮毂影响）进行三维建模及数值模拟分析．尖速比是影响风力机气动特性的关键参数，其表达式为λ＝ωＲｖ０（１２）式中：ω为角速度；Ｒ为叶片的半径．本文中风力机尖速比取为３０，则风力机叶片的角速度为５０ｒａｄ／ｓ．风力机的尺寸和形状如图２所示（单位：ｍ）．图３　计算域示意图Ｆｉｇ３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ图４　网格划分示意图Ｆｉｇ４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎ３　模拟验证在来流风速为１０ｍ／ｓ、风机转速为５０ｒａｄ／ｓ时，选取三种不同网格数量的模型进行网格无关８０３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.性验证．网格数分别为２７５万、４８１万和６４３万，以风力机扭矩系数Ｃｍ验证网格无关性，结果如表１所示．综合考虑计算效率和成本，本文最终选用４８１万的网格模型进行分析．表１　网格无关性验证Ｔａｂ１　Ｍｅｓｈｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ编号网格数量尖速比扭矩系数Ｃｍ１２７５万３０００４４２４８１万３０００４８３６４３万３０００４９验证试验在东北林业大学风洞实验室中进行，风洞试验段截面为０８ｍ×１０ｍ，长度为５ｍ，风速范围为２～５０ｍ／ｓ，自由湍流强度小于０５％．为了满足阻塞率的要求，风力机叶片缩尺比为１∶６７，风力机叶片直径为１８ｃｍ．风力机尾流测试装置及结果分别如图５～６所示，试验结果与模拟结果基本吻合．图６中，Ｙ／Ｄ为风力机位置的相对高度，ｖ／ｖ０为轴向速度的无量纲量．图５　风力机尾流测试布置图Ｆｉｇ５　Ｌａｙｏｕｔｏｆｗａｋｅｔｅｓｔｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ图６　风速变化图Ｆｉｇ６　Ｗｉｎｄｓｐｅｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｓ４　结果与分析４１　尾流速度分布和涡结构图７为涡结构示意图．由图７可知，叶片旋转区域的流动结构比较复杂，包括叶尖涡、附着涡和中心涡，其中，叶尖涡流发生在叶片的顶端，并且随着风力机的旋转逐渐减少，旋转方向与叶片的旋转方向相反，同时不断向下游移动．附着涡是在叶片表面形成并附着在叶片上的涡结构，在边缘逐渐脱落．由叶片根部和轮毂产生的中心涡以螺旋状轨迹从轮毂中心向下游扩散，在８Ｄ位置后完全消失．图８为瞬态轴向涡量云图．从图８中可以看出，风力机后方沿Ｚ方向有明显的涡量分布．在Ｚ／Ｄ＝１时可清晰识别出尾涡结构，随着距离的增加，涡结构逐渐分解（对称性消失）．图７　涡结构示意图Ｆｉｇ７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｖｏｒｔｅｘｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图８　瞬态轴向涡量云图Ｆｉｇ８　Ｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔａｘｉａｌｖｏｒｔｉｃｉｔｙ图９为风力机尾流的轴向速度亏损分布．随着叶尖涡旋的发展，尾流速度逐渐降低，之后随着涡旋消失，尾流速度逐渐增加．图１０为叶片后方典型位置的风速．由图１０可以看出，在叶片后方，分布基本上是轴对称的，由于叶片上游的风速下降，下游的尾流能量减少．随着尾流涡旋的消失，速度逐渐增大．在Ｚ／Ｄ＝８之后，随着下游距离的增加，速度亏损减少，横截面积扩大，尾流宽度相应增加．９０３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图９　尾流轴向速度分布Ｆｉｇ９　Ａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗａｋｅ图１０　尾流速度分布Ｆｉｇ１０　Ｗａｋｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ４２　轴向速度分布图１１为致动盘模型轴向速度分布．在－２０＜Ｙ／Ｄ＜２０叶片和致动盘上下游垂直方向－１＜Ｚ／Ｄ＜１０的多个位置提取数值，通过比较－１Ｄ、１Ｄ、３Ｄ、５Ｄ、８Ｄ和１０Ｄ（Ｄ＝１２ｍ）距离处的速度截面亏损值，得出尾流速度分布规律．与Ｊｉｍéｎｅｚ等［１９］研究的三叶片风力机相比，在近尾流区域，四叶片风力机首先达到最低值，且该值低于三叶片模拟值，但在远尾流（Ｚ／Ｄ＞５）风速亏损值比较接近，这表明四叶片风力机在风环境改善和结构风振控制中更具有优势．从图１１中可以看出，风力机从来流中提取能量后恢复过程所造成的速度损失在－０５＜Ｙ／Ｄ＜０５区域的速度曲线近似对称分布．在风力机上游位置Ｚ／Ｄ＝－１时，无量纲速度基本等于１．当来流风通过风力机时，在叶片后产生明显的速度损失区，在Ｚ／Ｄ＝１处，轴向速度值减少了约９５％，且尾流宽度略大于叶片直径，这说明在近尾流区域，尾流的扩散并不明显；随着叶片后方距离的增加，轴向速度逐渐恢复，当Ｚ／Ｄ＝５时，轴向速度恢复到来流风速的５０％左右，由此可以看出５Ｄ距离对下游风力机的影响．随着风力机后方距离的增加，轴向速度曲线的形状变得平坦并逐渐恢复．当Ｚ／Ｄ＞８时，尾流效应仍然存在，但不明显，轴向速度基本恢复到了来流风速的９５％以上，随着尾流的速度逐渐恢复至来流风速，尾流完全扩散．图１１　致动盘模型轴向速度分布Ｆｉｇ１１　ＡｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＡＤｍｏｄｅｌ在致动盘的近尾流区域，特别是在尾流最低风速下的中心区域，速度亏损有很大不同．在Ｚ／Ｄ＝１处，致动盘将叶片组合成一个简化的圆盘，忽略了叶片的旋转效应，致动盘的扰动效应使风速达到最低值，亏损最大．在Ｚ／Ｄ＝３处，速度恢复至４０％，但风力机尾流速度却没有发生变化，这说明风力机对尾流的干扰作用比致动盘更明显．而在远处的尾流区域（Ｚ／Ｄ＞５），由于流场的变化主要取决于自身的发展，两者结果基本一致．综上所述，致动盘对近尾流区域的速度有较大影响，在远尾流区域几乎吻合，因此可以模拟四叶片风力机的尾流分布．０１３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.４３　湍流强度分布图１２为在－２０＜Ｙ／Ｄ＜２０区域的湍流强度曲线．湍流强度表达式为ＴＩ＝ｕ′Ｕ　（１３）式中：ｕ′为脉动风速；Ｕ为平均风速．图１２　湍流强度分布Ｆｉｇ１２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ根据Ｃｈａｍｏｒｒｏ等［２０］的研究，低湍流强度的来流风通过旋转的风力机时，湍流强度将在尾流中明显增加．从图１２中可以看出，在Ｚ／Ｄ＝－１处，湍流强度保持在００１左右．然而，在Ｚ／Ｄ＝１处，湍流强度最大值达到了０３且有两个湍流强度峰值．在Ｚ／Ｄ＝３处，也可观察到两个湍流强度峰值，最大值约为入流湍流强度的３０倍，达到了０３６．当Ｚ／Ｄ＞５时，叶尖附近区域的湍流强度峰值开始消失．此外，在Ｚ／Ｄ＜３的近尾流区域，湍流强度值随着与风力机后部距离的增加而逐渐增大，可以看出，当风场中相邻风力机之间的距离小于３Ｄ时，计算风力机功率时必须考虑湍流对风力机输出的影响；在远尾流区域，由于尾流的不稳定性，尾流的流动结构在Ｚ／Ｄ＝３以后的区域不断波动，当Ｚ／Ｄ＞５时，湍流强度在湍流扰动造成的速度损失恢复过程中开始迅速降低，最终在Ｚ／Ｄ＝１０处，最大湍流强度降至０１８．５　结　论本文以四叶片小型水平轴风力机为研究对象，采用致动盘源项模型并结合大涡模拟获取风力机尾流涡特征．主要结论如下：１）大涡模拟可以较为准确地获得四叶片风力机的尾流分布，无叶片实物的致动盘模型可以有效预测尾流流速的亏损过程，大大减少计算资源．２）四叶片小型水平轴风力机在尾流区域有明显速度亏损，与三叶片风力机不同的是，在近尾流区四叶片风力机首先达到最低值，且该值低于三叶片风力机．对于湍流度，在近尾流区出现了两个湍流强度峰值，远尾流区湍流度逐渐减小．３）四叶片小型风力机在工作时，叶片旋转区域的流动结构比较复杂，在近尾流区的涡结构主要为叶尖涡与附着涡，而远尾流区只有中心涡．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］ＷｕＹＴ，ＬｉｎＣＹ，ＨｓｕＣＭ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆａｓｍａｌｌｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｐｓｐｅｅｄｒａｔｉｏｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｉｅｓ，２０２０，１３（８）：２１１３．［２］ＤｏｕＢＺ，ＧｕａｌａＭ，ＬｅｉＬＰ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｗａｋｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｓｍａｌｌｓｃａｌｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎａｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１９，１６６：８１９－８３３．［３］ＷａｎｇＺＹ，ＯｚｂａｙＡ，ＴｉａｎＷ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｎｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｄｕａｌｒｏｔｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０１８，１４７：９４－１０９．［４］ＣｈａｎｐｒａｓｅｒｔＷ，ＳｈａｒｍａＲＮ，ＣａｔｅｒＪＥ，ｅｔａｌ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｉｎｇａｎｄｙａｗｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｗａｋｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２２，１９０：２０８－２２２．［５］ＺｈｕＸＣ，ＳｕｎＣ，ＯｕｙａｎｇＨ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｏｗｅｒｓａｎｄｎａｃｅｌｌｅｓｏｎｔｈｅｎｅａｒｗａｋｅｏｆａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０２２，２３８：１－１４．［６］芦红莉．基于计算流体方法对建筑物风场分布［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２０１９，４１（２）：２３６－２４０．（ＬＵＨｏｎｇｌｉ．Ｗｉｎｄｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，４１（２）：２３６－２４０．）［７］ＳｅｄａｇｈａｔｉｚａｄｅｈＮ，ＡｒｊｏｍａｎｄｉＭ，ＫｅｌｓｏＲ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｕｓｉｎｇｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０１８，１１５：１１６６－１１７６．１１３第３期辛大波，等：四叶片小型水平轴风力机尾流特征的数值模拟Copyright ©博看网. All Rights Reserved.［８］ＨｏｒｎｓｈｊＭｌｌｅｒＳＤ，ＮｉｅｌｓｅｎＰＤ，ＦｏｒｏｏｇｈｉＰ，ｅｔａｌ．ＱｕａｎｔｉｆｙｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎＲｅｙｎｏｌｄｓａｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｓ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２１，１６４：１５５０－１５５８．［９］ＭｏＪＯ，ＣｈｏｕｄｈｒｙＡ，ＡｒｊｏｍａｎｄｉＭ，ｅｔａｌ．Ｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｉｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２０１３，１１２：１１－２４．［１０］ＹａｎｇＨ，ＳｈｅｎＷＺ，ＸｕＨＲ，ｅｔａｌ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｙｕｓｉｎｇＢＥＭｗｉｔｈａｉｒｆｏｉｌｄａｔａｅｘｔｒａｃｔｅｄｆｒｏｍＣＦＤ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０１４，７０：１０７－１１５．［１１］ＢｅｈｒｏｕｚｉｆａｒＡ，ＤａｒｂａｎｄｉＭ．Ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｒｗａｋｅｒｅｇｉｏｎｏｆａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１９，１８５：４８２－４９５．［１２］ＤａａｏｕＮＨ，ＧｕｅｒｒｉＯ，ＳａｉｇｈｉＭ．Ｆｕｌｌｒｏｔｏｒｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＲｅｐｏｒｔｓ，２０２０，６：２３２－２５５．［１３］ＡｍｉｎｉＳ，ＧｏｌｚａｒｉａｎＭＲ，ＭａｈｍｏｏｄｉＥ，ｅｔａｌ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭｅｘｉｃｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｕｓｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｋｍｏｄｅｌａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅ３ＤｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｉｎＯｐｅｎＦＯＡＭ［Ｊ］．ＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙ，２０２１，１６３：２０２９－２０３６．［１４］任会来，张晓东，康顺．基于修正湍流模型的致动盘方法研究［Ｊ］．动力工程学报，２０１９，３９（１）：６５－７１．（ＲＥＮＨｕｉｌａｉ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｄｏｎｇ，ＫＡＮＧＳｈｕｎ．Ｓｔｕｄｙｏｆａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｃｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１９，３９（１）：６５－７１．）［１５］刘鑫，闫姝，郭雨桐，等．复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比［Ｊ］．太阳能学报，２０２０，４１（３）：１－７．（ＬＩＵＸｉｎ，ＹＡＮＳｈｕ，ＧＵＯＹｕｔｏｎｇ，ｅｔａｌ．ＣＦＤｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｌｉｄａｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＥｎｅｒｇｉａｅＳｏｌａｒｉｓＳｉｎｉｃａ，２０２０，４１（３）：１－７．）［１６］ＺｈａｎｇＨＦ，ＺｈａｎｇＨ，ＸｉｎＤＢ，ｅｔａｌ．Ｖｏｒｔｅｘｉｎｄｕｃｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｂｏｘｇｉｒｄｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｗａｋｅｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｍｉｃｒｏｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０２２，１０８：１－１２．［１７］李方敏．基于致动盘模型的风电场流场模拟［Ｄ］．北京：华北电力大学（北京），２０１８．（ＬＩＦａｎｇｍｉｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｗｉｎｄｆａｒｍｂａｓｅｄｏｎａｃｔｕａｔｏｒｄｉｓｋｍｏｄｅｌ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１８．）［１８］杨从新，张亚光，张旭耀，等．基于大涡模拟的风力机尾流特性研究［Ｊ］．机械设计与制造，２０２１（１０）：３３－３７．（ＹＡＮＧＣｏｎｇｘｉｎ，ＺＨＡＮＧＹａｇｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｕｙａｏ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｆｗａｋｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２０２１（１０）：３３－３７．）［１９］Ｊｉｍéｎｅｚ?，ＣｒｅｓｐｏＡ，ＭｉｇｏｙａＥ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａＬＥＳｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｗａｋｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆａｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎｙａｗ［Ｊ］．ＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙ，２０１０，１３（６）：５５９－５７２．［２０］ＣｈａｍｏｒｒｏＬＰ，Ｐｏｒｔé ＡｇｅｌＦ．Ａｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｋｅｓ：ｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］．ＢｏｕｎｄａｒｙＬａｙｅｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２００９，１３２（１）：１２９－１４９．（责任编辑：钟　媛　英文审校：尹淑英）２１３沈　阳　工　业　大　学　学　报第４５卷Copyright©博看网. 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水平轴风力机塔影效应的非定常数值模拟研究

水平轴风力机塔影效应的非定常数值模拟研究一、引言水平轴风力机作为一种可再生能源的装置，被广泛应用于电力发电领域。

然而，水平轴风力机在运行过程中会产生一种称为塔影效应的现象。

塔影效应是指当风力机旋转时，风腔中的风会因为受到塔筒的遮挡而出现扰动，进而影响风力机的性能。

为了更好地理解塔影效应对水平轴风力机的影响，进行非定常数值模拟研究具有重要意义。

二、数值模拟方法2.1 高精度计算网格的生成在进行水平轴风力机塔影效应的非定常数值模拟研究之前，需要先生成适用于计算的高精度计算网格。

通常使用结构化和非结构化网格生成方法。

结构化网格生成方法适用于简单几何形状，而非结构化网格生成方法适用于复杂几何形状。

在本研究中，选择了非结构化网格生成方法，以适应风力机复杂的几何形状。

2.2 数值模拟模型的建立建立数值模拟模型是进行水平轴风力机塔影效应非定常数值模拟的前提。

首先，需要确定求解的控制方程。

在这里，可以采用雷诺平均N-S方程来描述流动的物理行为。

然后，需要设定一些边界条件，如入口和出口的速度、风力机叶片的速度等。

最后，使用数值方法对模型进行求解，并得到相应的结果。

三、模拟结果与分析3.1 塔影效应对风力机性能的影响通过进行数值模拟，可以得到水平轴风力机在塔影效应下的性能。

从模拟结果可以看出，塔影效应会导致风力机叶片的受力情况发生变化，进而影响风力机的输出功率。

具体来说，塔影效应会使得风力机叶片的受力分布不均匀，导致一些叶片受力过大，从而降低了风力机的性能。

3.2 塔影效应对风力机噪声的影响除了对风力机的性能产生影响外，塔影效应还会对风力机的噪声产生一定的影响。

通过数值模拟可以得到塔影效应下风力机的噪声分布情况。

模拟结果表明，塔影效应使得风力机周围的噪声水平有所增加，这对附近居民的生活造成了一定的干扰。

四、结论和展望通过对水平轴风力机塔影效应的非定常数值模拟研究，我们得出了以下结论：1.塔影效应会对风力机的性能产生一定的影响，使得风力机的输出功率降低。

水平轴风机叶片截面与二维翼型的数值模拟

可以为三维叶片的设计及优化，提供一定的理论判据。
关
键
词：风机叶片；展向截面；数值模拟；翼型；流场分析
文献标志码：Ａ
中图法分类号：ＴＶ７３４
在风电能源开发中，水平轴风力机发电是目前风
角０和弦长Ｃ，可得各截面空间坐标（，Ｙ．，ｚ。）为
ｌ＝
［（ｏ一０．２５）ｃｏｓ０一Ｙ０ｓｉｎ０］Ｃ
Ｙｌ＝［（０—０．２５）ｓｉｎ０＋Ｙｏｃｏｓ０］Ｃ
利用以下计算公式：
Ｄ＝｜８Ｐ
是一种更为先进、计算精度更高、考虑因素更周全的设
计方法。具体参数计算结果如表１所示。
１．３叶片各截面空间坐标的确定及建模
设ＸＯＹ坐标面为叶片根部的叶素平面，将叶素平
Ｔｈｅｏｒｙ）。可见，与Ｇｌａｕｅｒｔ方法相比，Ｗｉｌｓｏｎ设计方法
１几何建模
１．１风轮总体设计
设计功率Ｐ为５ｋＷ，气流密度Ｐ为１．２２５ｋｇ／ｍ，设计风速为７ｍ／ｓ。假定风轮功率系数Ｃ为０．４３。
ｚｌ：ｒ（２）
作者简介：孔秀，男，硕士研究生，研究方向为ＣＦＤ数值模拟。Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｏｎｇｘｉｕ１９８８＠１２６．ｔｏｍ

水平轴风力机空气动力学数值模拟的开题报告

水平轴风力机空气动力学数值模拟的开题报告
一、选题背景和意义：
水平轴风力机作为一种清洁能源发电设备，在可持续发展的战略中
发挥着重要的作用。

近年来，随着国内外风能资源的充分开发和利用，
对水平轴风力机的研究也越来越深入。

在水平轴风力机的设计和优化中，空气动力学数值模拟（CFD）已经成为一种重要的工具，可以用于预测风力机设计参数对流场和叶片受力的影响。

因此，本文拟研究水平轴风力机的空气动力学数值模拟，并探讨其
参数优化方法，旨在提高水平轴风力机的性能和发电效率，推动清洁能
源的可持续发展。

二、研究内容和方法：
1.研究对象
本文主要针对水平轴风力机进行研究，以常见的3MW水平轴风力机为例。

2.参数优化
本文将采用Kriging模型的优化方法，对风力机的设计和参数进行优化。

通过建立模型，预测出不同参数设计下的风力机性能和叶片受力情况，并对比分析，得出最佳优化方案。

3.空气动力学数值模拟
本文将使用基于有限体积法（FVM）的开源计算流体动力学软件OpenFOAM进行水平轴风力机的空气动力学数值模拟。

通过建立三维数
值模型，对水平轴风力机的流场进行预测，并分析叶片受力情况及风力
机发电效率。

三、预期成果及意义：
本文的预期成果是通过Kriging模型的优化方法，设计出水平轴风力机的最佳方案，并进行了空气动力学数值模拟，得出了风力机性能和发电效率的增益；同时，探究了水平轴风力机的优化方法和空气动力学数值模拟的基本原理和方法，为水平轴风力机的研究提供了新的思路和方法，具有科研意义和实际应用价值。