湍流的影响风力发电机仿真模型在低雷诺数

文摘

在设计一个风力涡轮机,验证数学模型的结果通常是与风洞实验数据进行了比较。然而,较低的雷诺数风洞实验,和流动充分发展湍流不匹配风力涡轮叶片的前缘。因此,从层流到湍流过渡区域变得宽在这些条件下,分离点是很难预测使用湍流模型。预测精度大大减少在处理提示速度比率小于最大功率点。本研究进行稳定计算与层流与湍流模型和一个不稳定计算模型采用三叶水平轴风力涡轮机。执行计算的验证与实验结果进行比较。功率系数计算没有湍流模型与实验数据提示速度比率大于5。

1。介绍

计算流体动力学(CFD)建模和实验都有优点和缺点。如果可以在一起,我们可以期待更有效的理解的现象。尽管CFD更有利的预测实验很难开展,例如,自由流条件下,一般很难获得可靠的结果与实验数据相比。然而,它是可能的获得有用的CFD结果与验证实验结果。此外,实验不能提供正确的结果对于任意条件由于实验设备的限制,测量误差和测量系统的问题。CFD涡轮机是一种有效的工具,可以补充实验结果不确定1]。然而,CFD模拟一般为实际设计需要很长时间。有必要对许多设计条件减少计算时间。

一般的雷诺数风洞测试低于一个湍流模型。因此CFD和没有一个湍流模型试图解出风力发电机性能和提供数据的各种详细的特征。

在这篇文章中,他们试图解出更准确的特点,风力涡轮机在最短的时间内可能即使在个人电脑,使用粗网格。实验结果的可靠性和CFD结果进行了讨论。此外,流动可视化进行获取更详细的信息关于叶片绕流。调查结果分析了三维CFD仿真来确定风力涡轮机详细特征的因素。

CFD代码内部有限体积不可压缩n - s解算器由作者。解算器是基于结构化网格和使用曲线边界拟合坐标。简单的算法是用于压力速度耦合。对流项是使用快速计算的方案和其他条款在太空使用二阶差分格式计算。众所周知,复杂的湍流模型并不总是产生更好的结果比非常简单的模型。因此,证明和计算效率Launder-Sharma低雷诺数- - - - - -ε湍流模型在这个报告。详细的特征是由三维CFD解决。

这项研究的最重要的几点是使计算与实验结果的差异明显,使计算结果有助于实验方法的改进。

2。数值方法

内部的代码使用自主研发的有限体积不可压缩n - s的能手。解算器是基于结构化网格和使用曲线边界拟合坐标。网格安排配置(Perićet al ., 1988)2)和(Chow插值法(1983)(3使用)。简单的算法(Patankar, 1980)4)是用于压力速度耦合。对流项使用快速计算方案(伦纳德,1979)5),另一项在太空使用二阶差分格式计算。众所周知,复杂的湍流模型并不总是产生更好的结果比非常简单的模型。在实际应用中,常常是明智的使用一个简单的方法比计算昂贵。因此,证明和计算效率Launder-Sharma低雷诺数- - - - - -ε湍流模型(1974)(6本报告中使用。摘要与湍流模型计算稳定,与层流模型和计算只是不稳定。

2.1。实验条件

图1给出了实验装置。风力涡轮机的实验是由三重大学(7]。一个三叶的风力涡轮机位于风力涡轮机的前面。实验风力涡轮机的直径为2.4米,四个翼型的叶片由资料如表所示1。尖的螺旋角。当地的螺旋角扭转角+螺旋角的小费。风洞的内直径是3.6米。实验是由7米/秒的风速,测量风速数据,旋转,扭矩和推力。

图2显示了流体的关系力作用在风力涡轮机的叶片元素半径,;倾斜的角度,;攻角,;电梯,;拖,;切向力,;轴向力,,即推力;风的速度,;提示速度,;转速,;和相对速度,。电梯之间的关系,拖,切向力,轴向力,,在图2是写的 在没有失速条件下,一个小攻角,(1)近似如下: 轴向力,,即推力,预计相同的精度。另一方面,由于切向力,,也就是说,扭矩,强烈受到阻力的影响,,它是力的不同升力和阻力,产生的力就变小了。出于这个原因,预测精度的扭矩小于的推力。

雷诺数所表达的是涡轮半径,风速,和空气的运动粘度,,。风力发电机的特点所表达的是提示速度比,功率系数,推力系数,。

2.2。计算网格

图3显示了计算网格在风力涡轮机转子。周期性边界条件应用于两侧表面和周围地区执行计算一个叶片,也就是说,三分之一的球面领域。这个球体的半径是转子半径20倍。oo类型网格使一个合适的网格布置,能够安排许多网格点沿着机翼表面没有分发许多不必要的部分。网格点的数量是130的配置,63点知识,52分正常表面方向,总共425880分。使用一个代数网格生成方法生成的网格(埃里克森,1982)8这使]基于超限插值方法在一个方向垂直于壁面网格间距转子半径和单位的值小于1.0。

3所示。一般性能

一般来说,推力几乎等于电梯,而切向力强烈受到阻力的影响。因为它的差异和从(1),它变成了一个小的不到10%的推力。出于这个原因,不仅在数值计算,而且很容易在一个实验中出现大的错误在切向力的结果。推力的实验,精确测量是非常困难的,因为实验仪器设置测力传感器固定在底座上的塔下风力发电机模型。测力传感器将重力的时刻变得远远大于推力涡轮,和大容量传感器被选中。测量精度因此恶化。

数据4和5显示功率系数和推力系数,解释的影响- - - - - -ε湍流模型和时间步长层流模型。步骤的时间1/4000,1/8000,1/16000,1/32000旋转。流入湍流强度设置为1%- - - - - -ε湍流模型。的解决方案几乎聚集的时间步长小于1/16000的旋转。层流模型一致的功率系数与实验结果提示速度比大于5。

实验结果显示以下特点:最大的功率系数出现在小费速度的比值;下面的摊位地区出现;上面的功率系数降低,因为攻角变小了,小如的速度比增加。大的区别- - - - - -ε附近的湍流模型和实验结果产生后失速角尖端速度比率在哪里= 4 ~ 2。这是因为目前的湍流模型不能完全预测从层流到湍流的过渡。在这方面,我们期待一个更准确的湍流模型的发展未来。因此,我们试图获得数据使用层流模型。在- - - - - -ε湍流模型,前缘分离完全发生在区域提示速度比率小于。以尖端的速度大于获得的数据攻角变小了,小的,以免陷入停滞时,动力系数可以完全预测的层流模型,并与实验结果有很好的一致性。

推力系数的计算结果与实验结果的趋势为所有区域,显示一个向上转变约为0.1。实验0.1的差异是非常小的值,因为它是满刻度的0.6% 6-component测力传感器。因此,较高的假定比较不能执行,包括大的测量误差。

图6显示了收敛性不稳定的计算使用层流模型。结果显示计算需要很长时间的趋势提示速度比增加。

4所示。详细的特征

这是部分所示3,风力发电机的性能预测具有足够精度,尽管有一些网格点。的详细特征,如知识的分布特征、流动的可视化叶片,叶片周围的压力分布,本节所示。

4.1。知识分布的特点

数据7和8显示的地方权力系数和。当地的集成功率系数沿半径提出了功率系数(3)。的结果是低于层流模型- - - - - -ε湍流模型对整个跨度。的层状模型的结果在图7显示突然下降到0.90。最层流和之间的不同的结果- - - - - -ε湍流模型出现在。为在图8,最层流和之间的不同的结果- - - - - -ε湍流模型出现在。这样做的原因是在数字前缘附近的分离15和17这部分详细描述吗4.3。

数据9和10显示由当地的推力系数和。当地的集成推力系数沿半径提出了推力系数(3)。当地的推力系数稳定计算之间的协议- - - - - -ε湍流模型和非定常计算层流模型。微小的差异出现在和附近的中心。

数据11和12显示由轴向速度旋翼飞机的平均压痕和。的稳定计算- - - - - -ε湍流模型和非定常层流模型的计算几乎一致,因为当地的推力系数在数据是相似的9和10。

4.2。叶片绕流

流计算结果的可视化进行掌握本节更详细的信息。数据13和14显示叶片周围的流动分析使用- - - - - -ε湍流模型。压力面经历分离泡沫为0.82。的吸力边和6经验后缘分离在中心附近。

数据15和16显示叶片周围的流动分析使用层流模型。压力面经历分离泡沫为和所有的。吸力面经历前缘分离为在弦长为0.2左右,前缘分离。的吸力面经验的前缘分离在弦长为0.2。

4.3。在叶片压力分布

本节讨论了叶片上的压力分布之间的联系和影响的分离并没有湍流模型,而使它对应于当地的电力和推力系数,以及叶片绕流。影响了速度小费比例高于,层流模型结果与实验结果一致。

数据17和18显示叶片上的压力分布和6。压力系数所表达的是叶片的压力吗,主要的压力流和风速 的- - - - - -ε湍流模型显示美国的分离不是生产;因此,前缘附近的压降和压力恢复后缘附近足够代表。相比之下,层流模型显示的状态产生分离;因此,前缘附近的压降和压力恢复后缘附近的不够。因此,它表明权力和推力系数层流模型成为低于k -ε湍流模型的分离。

压力系数之间的压力面- - - - - -ε湍流模型和层流模型没有出现显著不同,虽然小分离的存在。

一个显著的差异出现在吸力面。图(17日)显示了压力系数。层流的流动模型分离为0.2和弦和压降的前缘和后缘附近的压力恢复变得不那么足够的比- - - - - -ε湍流模型,也就是说,没有分离。图17 (b)显示的压力系数。层流的流动模型导致前缘的超然,还有几滴前缘附近的压力。前沿的高压维持0.5和弦,从0.5和弦和压力恢复到后缘做的不够。

电梯将获得沿叶片表面压力。它能被理解的压力分布数据的推力系数的差别9和10就变小了,不管是否使用湍流模型。相比之下,一个显著的区别是见过在功率系数图7,因为在前沿的压降和压力恢复后缘对旋转力有很大影响。自从流从前缘不产生分离在图8,同样的显著差别如是没有见过。尽管有影响和无分离,之间的叶片压力分布- - - - - -ε湍流模型和层流模型没有出现截然不同的和分离泡沫非常薄如如图19。因此,一个类似的趋势出现在功率系数和推力系数数据7- - - - - -10。

在层流的计算模型中,有人建议,它可能会获得速度小费比例高于适当的结果。然而,它需要很多的计算时间。

5。结论

计算与实验结果取得了在协议尽管使用粗网格在这项研究。计算网格是很粗;因此,有一个问题的湍流现象是否可以表达准确代表身体的形状。然而,实用价值高,如果我们考虑计算的实际应用解决了叶片上的作用力与精度。非定常层流模型是有用的性能预测低雷诺数模型试验和小型风力涡轮机等系统。推力系数几乎没有影响测试是否有或没有执行一个湍流模型。另一方面,权力系数是敏感的湍流模型,因为压力前缘和后缘分离的强烈影响。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

工作已经被原田纪念基金会支持部分和科研补助金(C)。24561058从日本促进社会科学。

引用

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