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风力机空气动力学模型研究进展

来源:中国科学院北京分院时间:2013-05-14

  风能是分布广泛的、可再生的清洁能源。与其他形式的能源相比,风能利用具有无污染、占地面积小、对环境造成的负面影响少等诸多优点,为取代化石燃料的使用提供了重要的途径。

  现有的风力机气动计算模型按照计算时间及模型复杂程度的多少可以依次分为:CFD(Computational Fluid Dynamics)模型、涡方法模型及BEM(Blade Element and Momentum Model)模型。CFD模型可以给出详细的风力机三维流场信息及风力机的气动性能,但是由于风力机流场的多尺度性,现有的CFD三维模型的网格数量通常都在百万量级以上,因此风力机流场的CFD计算,尤其是非定常计算,往往需要耗费巨大的计算资源及计算时间。考虑到风力机叶片的设计周期严重的依赖于气动分析模型的计算效率,现阶段CFD模型还未能在风力机的叶片设计中得到广泛应用。

  涡方法模型将三维流场中叶片的附着涡量抽象为集中分布的线涡和面涡等形式,并结合刚性或自由尾涡模型实现风力机的气动性能分析。从很大程度上,简化了风力机的三维流场计算,提高了风力机气动性能的计算效率。但由于模型的简化,叶片表面的压力分布及尾流的发展特征难以准确的计算和表征。

  BEM模型是目前工程应用最广泛的气动计算模型。该模型以一维动量理论和二维叶素理论为基础,利用二维翼型的实验升阻力系数,实现模型的封闭计算。它的优点在于计算速度快,而它的不足之处在于需要引入大量的人为经验修正。

  为了提高现有模型的计算和分析能力,工程热物理研究所风电叶片研发中心对涡方法模型中的自由尾涡三维面元模型展开了相应的研究,并且结合边界层模型发展了粘性无粘耦合模型。该模型以获取叶片表面的压力及粘性力分布为主要特征,最大程度上提高了三维流场的分析能力。为风力机气动分析模型在风力机叶片设计中的应用提供了重要的基础。