【摘 要】
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目前国内风力机仍以陆上机组为主,而多风沙环境的西北是陆上机组的主要分布区域,这意味着风力机运行过程中有大量时间受到风沙环境的侵扰,造成气动性能降低与磨损,并最终导致发电量显著减少造成经济损失。与此同时水平轴风力机实际运行期间存在大量时间受到动态失速效应的影响,所以将风沙环境与水平轴风力机翼型动态失速相结合的研究很有必要。本文以水平轴风力机翼型S809作为研究对象,研究了风沙环境对翼型动态失速特性及
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51766009）的资助,课题名称:基于Stokes数的风力机叶片风沙冲蚀磨损特性研究；
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目前国内风力机仍以陆上机组为主,而多风沙环境的西北是陆上机组的主要分布区域,这意味着风力机运行过程中有大量时间受到风沙环境的侵扰,造成气动性能降低与磨损,并最终导致发电量显著减少造成经济损失。与此同时水平轴风力机实际运行期间存在大量时间受到动态失速效应的影响,所以将风沙环境与水平轴风力机翼型动态失速相结合的研究很有必要。本文以水平轴风力机翼型S809作为研究对象,研究了风沙环境对翼型动态失速特性及磨损的影响。主要研究内容如下:（1）研究了不同颗粒直径对翼型动态失速特性及磨损的影响,研究发现:上仰阶段,翼型的升力系数将随着颗粒直径的减小而减小,阻力系数在达到峰值前,会随着颗粒直径的减小而增大。颗粒直径越小,翼型吸力面上方涡的发展越迅速。在20±10（k=0.078,Re=0.99×10~6）动态失速状态下,颗粒直径大于等于20μm时,磨损主要集中于翼型压力面,且磨损量随着颗粒直径的增大而增大;当颗粒直径为10μm时,主要磨损区域分布在翼型压力面前缘和吸力面后缘。颗粒直径大于等于20μm时,动态失速过程中的磨损分布与静态大攻角更相似,但磨损量普遍小于静态攻角相同时间的磨损数值。（2）研究了不同颗粒浓度对翼型动态失速特性及磨损的影响,研究发现:上仰阶段,升力系数将随着颗粒浓度的增大而减小,阻力系数在达到峰值前,会随着颗粒浓度的增大而增大;下俯阶段,随着颗粒浓度的增大,流场将更快地开始再附着,使得翼型升力系数更快开始回升。颗粒浓度越大,翼型吸力面上方涡形成与脱落的速率越快,同时翼型前缘与部分压力面处的涡量分布将越复杂。颗粒浓度的增大并不会显著改变动态失速过程中颗粒碰撞翼型后的运动轨迹。颗粒直径相同时,浓度的变化不会显著改变动态失速磨损的分布规律,但颗粒浓度的大小与动态失速过程的磨损量成明显的正相关。颗粒浓度的增大与颗粒直径的减小对翼型在动态失速过程中气动载荷与流场的影响大体相似。（3）翼型处于不同动态失速状态时,其气动特性有着显著差异,本文通过改变动态失速的平均攻角,研究了风沙环境下动态失速状态对翼型气动及磨损的影响,研究发现:翼型处于不同动态失速状态时,风沙环境对气动特性的影响是相似的,且动态失速的平均攻角越大,所受影响的程度也越大。颗粒直径大于等于20μm时,不同动态失速状态压力面的磨损分布都是相似的,其中50μm和100μm的磨损值呈类似“U”型分布,20μm的磨损值随着S值的增大而减小;翼型吸力面前缘的磨损范围会随着动态失速平均攻角的增大而减小。颗粒直径为10μm时,如果颗粒能被卷入到翼型吸力面上方,则吸力面后缘的磨损量和动态失速的平均攻角呈正相关,反之将不会在吸力面后缘区域产生磨损。（4）分离涡方法是一种高精度数值模拟方法,目前广泛运用于非定常性较强流场的数值模拟,本文基于分离涡方法研究了风沙环境下翼型动态失速流场特性,研究发现:在验证工况下,DES类方法与URANS方法对三维翼型动态失速的计算结果从整体上看均能较好地与试验值相对应,DES类方法对非定常流场三维效应与细节的解析能力远强于URANS方法。IDDES方法计算结果显示,当流场非定常性较弱时,50μm颗粒在流场中运动的三维效应较弱,但当流场非定常性较强时,有少量50μm颗粒被卷入到了吸力面上方的涡流中,并且颗粒呈三维流动状态。同时IDDES方法计算结果显示,50μm颗粒的加入使得翼型吸力面上方涡的生成与发展速率加快,这与URANS方法模拟二维翼型计算得到的结论一致。在攻角较大时,50μm工况与清洁工况流场的压力分布和涡量分布均具有明显的三维效应。
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