上风向水平轴风力机塔影效应数值模拟
Abstract
风力机塔架和叶片之间的相互作用是影响风力机气动性能的主要因素之一, 本文以美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)的5 MW风力机为研究对象, 使用雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)方程和剪切应力输运(Shear-Stress Transport, SST) <italic>k</italic>-<italic>ω</italic>湍流模型, 采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法对三叶片上风向水平轴风力机开展了塔影效应的分析研究. 为了得到更加精确的模拟结果, 在模拟计算之前开展了网格无关性验证以及模型验证. 模拟过程中使用了两种模型: 带有塔架的风力机模型以及没有塔架的风轮模型, 通过对两种模型的模拟研究得到了塔影效应对风力机气动特性的影响. 同时, 本文也开展了基于动量叶素理论的方法对塔影效应的研究, 并且比较了这两种研究方法. 结果表明: 上风向水平轴风力机的塔影效应是非常明显的; 塔影效应的存在使风力机气动荷载出现突变, 对风力机叶片和塔架都会产生不利影响; 塔影效应的存在对风力机气动荷载的平均值影响较小, 使风轮的平均推力值下降0.46%、平均功率值下降0.87%. 本文为进一步研究塔影效应对风力机气动特性的影响提供了一些参考.
