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风力机数值计算存在的问题
作者:管理员    发布于:2012-11-01 20:47:19    文字:【】【】【
        大型风力机CFD的三维数值计算属于非定常不可压缩流场计算的范畴,结合上述风力机三维模拟和研究的特点.为了好地保证计算的有效性和准确性,以下几个方面的问越还必须进行进一步的探讨和研究。
1计算区城网格的划分
       计算区域网格的分布直接影响着计算的精度(9,10),在某些悄况下,网格的分布密度和形式对计算结果的影响甚至超算法的影响。依照计算流体力学的观点.在同一算法下,均匀分布的正交计算网格可以获得最高的计算精度。对于实际运行的瓦级风力机,即使在网格的尺度满足基本的计算精度要求下.如染在其巨大的圆柱形计算域中完全采用均匀分布的正交计算网格,其计算最将是非常惊人的。因此如何采用风轮附近的网格进行加密而在远离风轮的试域布置相对稀疏的网格的搭配形式获得令人满惫的计算栩度也是一个值得探讨的问越。
2流动模拟方法
       实时和真实雷诺数下的直接数值模拟(DNS)方法可为风力机提供可靠的流动解.但其巨大的计算最限制了该方法的广泛用.因此,配合一方程或二方程紊流模型的雷诺平均N-S方程(RANS)方法是风力机CFD算法中最常用的。对于大分离流动。RANS拟有一定局限性,这时可将模拟附翁流动的RANS方法、大涡模拟方法和大分离流动的DES方法结合起来解决这一问题uu
3旋转流场问题
       人们发现.风力机在大风速时性能很难准确计算。在小叶尖速比时,测得的功率总是大于传统上用代维冀型气动数据计出的功串,这是因为三维旋转效应使得翼型失速向后推迟。作用于旋转叶片上的离心力使得叶片附面层内的气流向外泵出,层厚度变薄,同时科氏力在叶片弦向附加正压梯度,这都使舆型失速推迟,使得旋转叶片具型压力分布大大不同于二维时的结果。这种三维旋转效应越靠近根部越明显,甚至在根部处气流分离完全消除.因此,建立包含科氏力和离心力项的适当紊流型是用CFD方法准确计算旋转叶片气动特性的必要条件。
4来流切面速度
        风力机的来流条件并非目前三维数伎模拟中所认为的均匀来流。真实的来流风速是随着距离地面的高度变化而变化的.近地面处风速较小.随高度的增加风速逐渐增大,按照指数规律分布。由于大型风力机风轮直径很大,无穷远处来流风速在铅垂高度范圈内具有较大的速度变化,因此在旋转流场中,轮扫面积上的来流在一个周期中方向虽然不变.但大小却是随时间变化的。这使得初始条件和来流边界条件的给定和处理变得极为复杂.也为旋转流场中一非定常流的风力机CFD三维数值模拟带来了极大的困难。
5并行计算
       由于旋转流场问题、来流速度变化、网格划分的要求和在非定常流动下的数值模拟内容.大型风力机的数值计算工作徽极大,尤其是在进行大涡模拟时,对计算机硬件的要求非常高,根据现有条件,进行计算机并行计算不失为当前数值应用的一个有效手段。
6雷诺数的变化
        由于风力机在恒定转速。下运行,沿风轮的径向方(祖叶片的翼展方向)的速度将是变化的,而且叶片翼展方向上的翼型和典弦各不相同.因此以奥弦为特征长度的雷诺数在风轮的径向方向(叶片的翼展方向)是变化的。依据三维非定常不可压钻性控制方程的无最纲形式,如果以风轮直径D作为三维流动模拟的雷诺数特征长度显然比较难于描述流场内部的物理特征和相关的气动特性。因此建议可以将径向方向(叶片的典展方向)以翼弦为特征长度的变化的雷诺数作为条件加以分析和考虑。
7尾流
       在整个风力机气动计算模拟中,风轮尾流的模型至关重要。口前有多种简化的尾流模型.它们分别是:(1)与来流相比,为扩散了的均匀圆柱出流模型。该模般为应用于风力机风轮设计时的贝茨模型 . (2)扩散的圆锥模型,在圆锥形的尾流边界表面有从叶尖脱离的离散涡.从计算模拟的角度看,该模型应用较少. (3)半圆柱无限长旋祸模型,该模型认为在叶片出流边形成涡面并延伸至无穷远处。该类是目前最常用的模型,一般由涡面可求出尾流对叶片表面来流的影响其变形体为扩敞的半圆锥无限长旋涡模型。(4)半圆柱无限长旋涡系统模型.该模型认为风力机风轮尾部漩涡系统由三部分组成:位于风轮轴线上的中心涡.沿叶片轴线的变环里附着涡,以及从叶片尾缘与叶尖脱落的螺旋状自由涡层。同样可由尾流漩涡系统求出尾流对叶片表面来流的定最影响,更为接近实际的模型应该是该旋涡系统模型的变形体.即,扩散的半圆锥无限长刚性旋涡系统模狱。这些尾流模型都具有位势流的特点,并不能准确描述出含有湍流在内的真实的尾流状态,因此,要掌握风轮流场的真实情况,就必须对尾流问题进行认真的研究。正如。Lshmanl所指出的那样,风力机绕流的本质最终还是涡尾迹,涡尾迹方法在解决风轮流场的问地上具有独特的优越性。目前,国际上又重新致力于开发和改进涡尾迹方法来解决风力机的流场计算问题。