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随着全球经济的飞速发展,能源危机以及环境危机变得越来越严重,在此形势下,自然界中的风能作为一种可再生的清洁能源登上了历史舞台,并且日益受到世界各国的高度重视,使得风力发电在全球范围迅速得到发展。我国西北地区的甘肃、新疆、内蒙等省份风资源充足,是我国风力发电装机总量最多的区域,但是在这几个省份内分布着大面积沙漠,沙尘暴天气频繁,因此风力发电机组不可避免地要在风沙环境中运行。叶片是风力机最主要的部件,也是最容易受沙尘冲击和磨损的部件,在风沙环境下,当含沙的空气绕流风力机叶片时,由于流体粘性的影响,在风力机叶片表面会形成一层极薄的剪切层,就是边界层。本文主要从边界层的角度着手,分析风沙环境下风力机叶片及翼型吸力面边界层的相关特性,以便为研究风沙环境对叶片的磨损机理以及为风力机叶片的设计提供理论指导。1、以NACA 0012三维对称翼型作为研究对象,根据普朗特边界层理论,通过求解三维不可压缩N-S方程,对0°攻角下的三维翼型绕流进行模拟求解,确定了边界层的外边界,得到边界层四种厚度(名义厚度、位移厚度、动量损失厚度、能量损失厚度)沿翼型弦向的分布规律,以及弦向不同位置处,翼型吸力面边界层内流体切向速度沿吸力面外法线方向的分布情况。研究发现:边界层名义厚度δ沿着翼型弦向呈增长趋势,在翼型尾缘处厚度最大;边界层名义厚度δ相比翼型的弦长c要小很多,在翼型尾缘处名义厚度δ的最大值为0.0013m,占弦长的1.25%;边界层的位移厚度δ*、动量损失厚度θ以及能量损失厚度δ**的值也非常小,最大值同样出现在翼型的尾缘处,分别占翼型弦长的大约0.36%、0.17%和0.29%;2、以NACA 0012三维对称翼型作为研究对象,选取攻角为0°和15°,结合实际沙尘天气情况,在来流空气中加入直径为70μm,浓度为0.31×105μg/m3的沙粒(普通沙尘暴天气),采用离散相模型进行气固两相数值模拟,研究风沙环境对NACA 0012翼型边界层特性的影响。研究发现:攻角为0°时,在来流中加入沙粒几乎没有引起边界层的相关特性(名义厚度δ、位移厚度δ*、动量损失厚度θ、能量损失厚度δ**以及边界层内流体的切向速度u)发生明显变化,而当α为15°时,来流中加入沙粒除了在翼型前缘附近对边界层的相关特性有较小的影响外,其余位置均没有明显影响。这是由于15°时攻角α相对较大,前缘处的边界层厚度极小,几乎接近于0,在来流中加入沙粒之后,更增大了流体的扰动,导致沿壁面法线方向相同高度处流体的切向速度u有所减小;3、以某直径为0.5m的两叶片风力机作为研究对象,在来流中加入直径为100μm、浓度为8.3×106μg/m3的沙粒(强沙尘暴天气),通过模拟计算对比分析风沙环境对于三维风力机叶片吸力面边界层特性的影响。结果表明,风沙环境对于风力机叶片吸力面边界层的影响主要体现在叶根附近的湍流边界层内,而对于叶尖附近的层流边界层几乎没有影响;边界层发生分离之后,在叶片尾缘处吸力面边界层内,沙粒的加入会阻碍流体沿逆向发生倒流,也会阻碍流体向正向流动恢复。