热能与动力工程 外文翻译 外文文献 英文文献 基于叶片涡流及紊流效应的风力涡轮机失速机制研究.doc

原文标题： Rotational and turbulence effects on a wind turbine blade. Investigation of the stall mechanisms 基于叶片涡流及紊流效应的风力涡轮机失速机制研究 摘要 本文研究了涡流和紊流对涡轮机叶片气动性的影响规律，特别关注的是失速机制。风洞实验是风机翼型在水平方向受到了由4.5%到12%的自由流紊流强度时测量其表面的压力。这个确定弯扭叶片上分离点位置的方法是基于翼弦方向边界层分离区域的压力梯度被提出来的。结果表明自由流紊流强度对分离点的位置是有影响的。这份报告所做实验的结果表明弯扭叶片能改善风机气动性能。在我们的例子中，对分离点位置和机翼压力分布的研究显示风机性能的改善与边界层分离区域的最低压力有关，而不是与它的失速机制有关。 关键词：风力涡轮机叶片；空气动力学；紊流；涡流；风洞；失速机制 1 前言 该研究报告是研究风力涡轮机在轴向受到较大的空气紊流扰动的综合影响(HAWTs)，这是Devinant(2002)和Sicot(2006a)在实验室所做工作的延续。轴流风力机叶片遇到的是非常复杂的、非稳态的、三维的旋流和紊流的流场的影响(Schreck和Robinson，2002)。 紊流主要是要考虑两个因素：轴流风力机在自然条件中运行(ABL)和同时受到其他风力涡轮机影响下运行，就像在风力发电厂里的一样。考虑到这个ABL的尺度，整体的紊流尺度Λx通常在10到500米之间，科莫微尺度η大约是0.001米(Kaimal和Finnigan，1994)，不同的学者会在自由流紊流强度在5%至25%之间进行研究(Hojstrup，1999 ；Thomsen和Sorensen，1999；Noda和Flay，1999；Hand等，2003)。 轴流风力机的叶片气动性的研究需要考虑涡流和紊流耦合的影响。这个问题很复杂而且没有具体的文献资料可查，因此我们的最初的调查与风力涡轮机机翼上的紊流的影响(Devinant，2002；Sicot，2006b)及风力涡轮机的性能(Sicot，2006a)有关。在研究平均压力和负荷的测量值的时候，Devinant得出了机翼的空气动力特性运行状况在数量和质量上都受会到紊流强度的强烈影响的结论，特别地，升力系数会随着紊流强度的提高而显著提高。这些结论已经由Amandolese和Szechenyi(2004)通过实验演示证实了。另外，Sicot(2006a)证实了紊流强度对风力涡轮机的功率和推力系数并没有明显的影响。 涡流对轴流风力机叶片气动性能的影响已经被更广泛地研究了，但是，它还是没有完全被理解和表征出来。Himmelskamp(1945)对飞机螺旋桨研究，发现涡流导致升力系数的增大和失速延迟，Banks和Gadd(1963)解释是因为旋涡使得边界层分离，导致了失速延迟。Ronsten(1992)比较了弯扭叶片和非弯扭叶片的压力分布，发现只在叶片最内侧处的运行状况有显著差异。其他的实验及数值研究(Tangler，2004；Le Pape 和 Lecanu，2004)假设由Cl导致的3D的失速损失(旋转机翼的机翼后缘附近的分离)高于2D的叶片根部处的损失。Timmer和van Rooij(2003)发现失速损失后的Cl和Cd的直径取决于机翼前沿的厚度。最近获得的美国国家航空和宇宙航行局艾姆斯数据集(Tangler，2004；Hand，2001；Schreck和Robinson，2003)和计算流体力学的方法(Sorensen，2002，2003)使得各种现有的模型能够把涡流的影响考虑进去(Lindenburg，2004；Snel，1992；Corten，2001；Tangler 和 Selig，1997)。 本文研究的涡流和紊流对轴流风力机叶片气动性能的共同作用是针对于“Lucien Malavard”在Laboratoire de Mecanique et dEnergetique实验室的风洞实验的。理想的紊流强度已经由紊流网格创造得到了。失速时和失速后的气体力学研究已经通过测量叶片压力来进行了。在此基础上，确定弯扭叶片分离点位置的方法的发展，使紊流强度和涡流对分离点位置的影响得到了深入研究。这种局部参数的运行状况，如分离点位置或压力分布，被用来解释弯扭叶片升力系数的增加的原因。 2 实验 2.1 风洞 实验都是在Laboratoire de Mecanique et dEnergetique实验室的“Lucien Malavard”风洞里(图1)进行的。它有两个测试截面，V1和V2，测试是在风力涡轮机V2测试截面(图2)进行的。它布置在3米×3米的正方形喷嘴下风