风沙环境下风力机的气动性能预估及气固两相流动特性研究

近几年，我国的风力发电事业发展迅速，国家已批准在甘肃酒泉建设千万千瓦级风电示范基地，并规划在新疆、内蒙古（蒙东、蒙西）、河北、吉林、江苏等地区再建成6个千万千瓦级风电基地。但是，甘肃、新疆、内蒙作为我国陆上风电的主要省份，都存在比较频繁的风沙天气，在这种特殊的工作环境下，风力机的气动性能的预估方法及其流动机理研究显得尤为必要。本课题针对甘肃河西地区的风沙气候，通过外场（实际风场）实验，研究河西地区风场的风沙特性；通过风洞实验和数值计算相结合的方法，研究风沙环境下工作的风力机的气动性能预估方法，建立相关的性能预估模型，在此基础上，进一步改进自主开发的风力机气动设计及校核软件；利用PIV技术测量流场中的固相和气相的速度矢量场，并结合数值模拟结果，进一步揭示风沙环境下工作的风力机的流场特性，揭示其流动机理；建立风力机的气-固两相流动数学模型。

甘肃、新疆、内蒙作为我国陆上风电的主要省份，都存在比较频繁的风沙天气，在这种特殊的工作环境下，风力机的气动性能的预估及其流动机理研究显得尤为必要。本项目针对甘肃河西地区的风沙气候，研究了河西地区风场的风沙特性。基于雷诺时均的N-S方程（RANS），建立了风沙环境中工作的风力机的气固两相流动数学模型，采用欧拉-拉格朗日方法求解气固两相流动。通过实验和数值计算相结合的方法，研究了风沙环境下工作的风力机的气动性能预估方法，得到了风力机气动性能随沙尘浓度和固相颗粒直径变化的相关规律，风沙环境提高了风轮的转矩，但总体增加并不显著。研究了风沙环境下工作的风力机的流场特性，分别通过外场实验、CFD数值模拟、一种非线性尾流模型，研究了风力机在洁净空气和风沙环境下的尾流特性，得到了风力机的尾流边界、叶片处和尾流区诱导速度的分布规律、近尾流和远尾流区速度场、涡量场的分布及变化特性，及其频谱特性；通过将风沙来流和洁净空气来流两种条件下的叶片及其翼型表面边界层内的流动特性进行对比，着重研究了风沙流对风力机叶片翼型表面边界层厚度、流态变化、边界层转捩及流动分离特性的影响，当叶片表面气流为层流流动时，沙尘对叶片边界层的流动影响较小，沙粒具有较好的跟随性，叶片表面气流为湍流流动时，沙尘对叶片边界层的流动影响较大，沙粒的存在加剧了湍流流动，使得边界层厚度略有增大。通过外场实验和数值计算对实验风力机叶片表面的压力分布、翼型的升力系数和翼型截面流线图进行了对比分析，研究了三维旋转效应对叶片气动性能的影响，由于风轮的旋转，气流绕叶片的流动将受到三维旋转效应的影响，产生沿叶片展向的流动，这种流动将使得叶片相关翼型出现失速延迟现象，推迟翼型表面流动失速的发生，并减小翼型表面的流动分离区，失速延迟最终影响了翼型的升阻力特性，使得叶片翼型的压差增大，升力系数大于二维翼型的值。结合风沙环境对风力机叶片及其翼型的磨损特性研究，得到了气固两相流动对风力机翼型磨损的临界St数范围为[0.007, 0.011]。相关研究成果将对揭示风沙环境下风力机的流动机理、叶片的磨损机理和防风沙叶片的气动设计具有一定指导意义。