基于分区转捩脱体涡模拟方法的风电叶片非定常流动分离研究

Detached Eddy Simulation method (DES) is a feasible way to simulate the unsteady flow separation over wind turbine blades; whereas, available DES methods could not completely solve the problem. On one hand, available DES methods are built on the fundamental of full turbulent assumption, and could not simulate the process of laminar development and flow transition; therefore, the accuracy of unsteady flow separation prediction could not be guaranteed; On the other hand, original DES methods demand excessive computational resources, thus the efficiency is affected. Present investigation is aimed at constructing Trans-ZDES methods to simulate the unsteady flow separation over wind turbine blades, the contents of which are: 1) the improvement of accuracy based on Trans-IDDES methods stemming from transition models; 2) the improvement of efficiency based on Trans-ZDES methods; 3) numerical simulation and flow analysis of the unsteady flow separation over wind turbine blades. The investigation would follow the steps below: 1) the construction of Trans-IDDES methods; 2) the construction of Trans-ZDES methods; 3) numerical simulation and flow analysis. Present investigation would contribute to the improvements of accuracy and efficiency of numerical simulations, and provide theoretical supports for wind turbine blade design and performance optimization.

脱体涡模拟方法是模拟风电叶片非定常流动分离的有效途径。但现有的脱体涡模拟方法还不能很好地模拟风电叶片的非定常流动分离。一方面常用的脱体涡模拟方法都采用全湍流假设，无法模化层流发展和转捩的过程，影响非定常流动分离的预测精度；另一方面，全场求解脱体涡模拟方法计算量巨大，影响非定常流动分离的计算效率。本项研究从风力发电工程需要和风电叶片的流场特点出发，以构造适用于风电叶片非定常流动分离的分区转捩脱体涡模拟方法为目标，主要研究内容包括：1）基于转捩脱体涡模拟方法的预测精度的提高；2）基于分区转捩脱体涡模拟方法的计算效率的提高；3）大型风电叶片非定常流动分离的数值模拟和流动分析，按转捩脱体涡模拟方法的构建—分区转捩脱体涡模拟方法的构建—数值模拟和流动分析的方案进行。本项申请将有助于提高风电叶片非定常流动分离的预测精度和计算效率，为风电叶片优化设计和性能改善提供理论支持，推动相关领域的发展。

脱体涡模拟方法是模拟风电叶片非定常流动分离的有效途径。但现有的脱体涡模拟方法还不能很好地模拟风电叶片的非定常流动分离。一方面常用的脱体涡模拟方法都采用全湍流假设，无法模化层流发展和转捩的过程，影响非定常流动分离的预测精度；另一方面，全场求解脱体涡模拟方法计算量巨大，影响非定常流动分离的计算效率。本项研究从风力发电工程需要和风电叶片的流场特点出发，以构造适用于风电叶片非定常流动分离的分区转捩脱体涡模拟方法为目标，主要研究内容包括：1）基于转捩脱体涡模拟方法的预测精度的提高；2）基于分区转捩脱体涡模拟方法的计算效率的提高；3）大型风电叶片非定常流动分离的数值模拟和流动分析，按转捩脱体涡模拟方法的构建—分区转捩脱体涡模拟方法的构建—数值模拟和流动分析的方案进行。通过项目的实施，所构建的转捩脱体涡模拟方法能够准确模拟流动的转捩和分离，和大涡模拟方法相比可以提高计算效率。该方法已经应用于风电叶片流场的数值模拟中，并有进一步推广应用的潜力。基于该思路发展的脱体涡模拟方法也已经拓展到高速流动的预测之中，为航天器流场的模拟提供服务。相关研究成果在力学和工程热物理领域著名期刊《Applied Thermal Engineering》（IF=3.44）等发表，并被可再生能源全球创新（Renewable Energy global innovations）选拔委员会评选为能源领域关键科技进展。本项申请将有助于提高风电叶片非定常流动分离的预测精度和计算效率，为风电叶片优化设计和性能改善提供理论支持，推动相关领域的发展。