水平轴风力机风轮尾迹和圆柱型塔架的相互干涉.pdfVIP

1 第 27 卷 　第 4 期 太 　阳　能　学　报 Vol 27 , No4 2006 年 4 月 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Apr ,2006 文章编号 : 2006) 水平轴风力机风轮尾迹与圆柱型塔架的相互干涉 1 2 曹人靖 ,胡　骏 ( 1 厦门大学机电工程系 ,厦门 361005 ;2 南京航空航天大学能源与动力学院 ,南京 210016) 摘 　要 : 建立了一个考虑上游风轮尾迹与下游塔架相互干涉的物理模型 ,并进行了详细的数值模拟。基于 Navier Stokes 方程 ,重点研究了上游尾迹与下游圆柱型塔架相互干涉的二维物理特征、旋涡脱落频率、力的脉动与频谱以 及纵向位置的影响 ;计算的流场与水洞进行的激光诱导荧光显示技术的流场显示结果进行了对比 ;在相同的横向 位置和来流条件下 ,获得了处于不同纵向位置的干涉结果。研究结果对于揭示风力机风轮尾迹与下游塔架相互干 涉的物理机理 ,减少由于位势干涉和尾迹粘性所诱导的非定常气动力 , 以及对于风力机的气动弹性稳定性和噪声 辐射的研究等都有着重要的理论价值。 关键词 : 水平轴风力机 ;尾迹 ;流动干涉 ;数值模拟 中图分类号: TK83 　　　文献标识码 : A 风力机系统的全三维非定常特性 ,就目前的试验和 0 　引　言 计算条件还存在一定的困难。可以建立相应的物理 随着大型风力机功率和塔架高度的增加,上游 模型 ,通过一定的简化处理 ,将该问题简化为一个二 叶片尾迹对下游塔架的相互作用不仅改变了塔架的 维问题 ,即上游叶片简化为一个二维叶栅 ,而下游塔 绕流情况 ,而且对塔架的激振作用也相应地增加。 架简化为一个圆柱 ,将一个复杂的非定常流动干涉 产生激振的来源不仅与叶片本身的负荷有关 ,而且 问题转化为上游叶片在不同的纵向位置与下游圆柱 与来流湍流度、叶片尾迹非定常特性及其与下游塔 之间的非定常干涉问题。对于单个或者多个圆柱绕 架的相互作用有很大关系。现有的风力机设计分析 流的试验与数值模拟研究已经有大量的研究结 体系基于二维片条理论和刚性尾迹模型来模拟风轮 [1～4 ] [5 ] 果 ,Jeon 等利用热线风速仪研究了上游圆柱尾 叶片的尾迹结构。这种模型过于简化 ,不能真实地 迹与下游叶片的流动干涉研究 , 得到了在上游圆柱 描述上游叶片的尾迹结构及其与下游塔架相互作用 尾迹的作用下叶片表面边界层流动和转捩特性。而 的物理本质。对于水平轴风力机来说 , 由于上游风 对于在上游叶片尾迹作用下的圆柱绕流特性的研究 轮与下游塔架距离很近 ,所以上游风轮与下游塔架 还没有文献发表。 产生很强的转静干涉效应。上游尾迹本身存在的 本文重点研究在上游叶片尾迹作用下 ,下游圆 各种尺度的旋涡以及尾迹亏损对下游塔架产生激振 柱绕流的非定常特性包括脱落涡频率、非定常力及 效应 ,其非定常激振力和频率影响塔架的结构动力