风电叶片设计中降阶模型的研究

【摘要】：在现代风力机及叶片的气动设计与分析中,基于动量叶素理论的工程方法由于其求解快速简便,在工业界一直占据着统治地位。随着技术的发展,风电机组向着大型化的方向发展,这对风电机组及叶片的分析与设计提出了更高的精度要求。考虑到叶片周围的复杂流动及叶片的柔性大变形等复杂的非线性效应,需要采用高精度的模型来获得精确的计算结果,从而指导设计与优化。虽然现代计算流体力学方法基本可以达到这样的目的,但却严重受限于高昂的计算代价,在工程上实用性不高。本论文针对风电叶片的设计与分析,研究并发展基于POD(Proper Orthogonal Decomposition)方法的降阶模型。该模型在保持一定计算精度的条件下,大幅度减少计算量,这对于叶片设计、非定常气动与气弹分析、整机控制中的实时模拟等具有重要的意义。 本文首先通过对NREL开发的S809二维翼型以及Phase VI三维叶轮的气动性能进行了数值模拟,分别应用S-A和k-co SST不同的湍流模型进行了分析,与风洞实验数据进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。在此基础上对基于POD方法的降阶模型的基础理论进行了讨论。对于顶盖驱动方腔流计算域网格简单、流动状态为层流的问题,直接应用降阶模型即可解决；对于翼型绕流问题的降阶模型的研究,针对第二、三类边界条件的问题产生的压力内积项采用多元线性回归的方法进行建模；对湍流粘性系数应用准静态的PODI的方法建模,将降阶模型扩展到更为实际的算例应用。 论文对基于POD方法的降阶模型应用在风力机最典型的动态失速问题进行了研究,结果表明,该方法可以捕捉到流动的非线性和非定常效应,对于升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数在失速过程中的迟滞效应可以很好的模拟。 最后,对三维旋转坐标系下的降阶模型进行了推导,对哥氏力和离心力产生的源项进行了建模,对降阶模型的三维扩展进行了展望。 【关键词】：降阶模型 本征正交分解 计算流体动力学 动态失速
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 图目录10-12
• 表目录12-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-16
• 1.2 风力机空气动力学计算方法的综述16-20
• 1.2.1 动量—叶素理论16-18
• 1.2.2 涡尾迹方法18
• 1.2.3 计算流体动力学方法(CFD)18-20
• 1.3 降阶模型的国内外研究现状及分析20-23
• 1.4 本文主要工作23-25
• 第二章 降阶模型的基础理论25-37
• 2.1 快照求解26
• 2.2 应用本征正交分解求基向量26-28
• 2.3 降阶模型的构造28-31
• 2.4 湍流粘性系数的建模31-33
• 2.5 降阶模型中压力项的处理33-35
• 2.6 本章小结35-37
• 第三章 风力机的CFD数值模拟研究37-67
• 3.1 引言37-38
• 3.2 风力机翼型的二维数值模拟38-57
• 3.2.1 湍流模型39-42
• 3.2.2 计算模型42-44
• 3.2.3 计算结果与分析44-57
• 3.2.4 小结57
• 3.3 风力机叶片的三维数值模拟57-66
• 3.3.1 数值方法58-59
• 3.3.2 结果分析59-65
• 3.3.3 小结65-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第四章 基于POD方法降阶模型的研究67-87
• 4.1 顶盖驱动方腔流67-74
• 4.2 翼型定常来流的降阶模型74-86
• 4.2.1 二维翼型的降阶模型构造75-79
• 4.2.2 翼型定常绕流79-86
• 4.3 本章小节86-87
• 第五章 降阶模型在失速计算中的应用87-101
• 5.1 动态失速简介87-88
• 5.2 失速流动的降阶模型的研究88-100
• 5.2.1 静态失速的计算89-94
• 5.2.2 动态失速的研究94-100
• 5.3 本章小结100-101
• 第六章 三维旋转机械的降阶模型研究101-109
• 6.1 三维旋转机械的降阶模型的推导101-106
• 6.1.1 降阶模型的三维展开式101-103
• 6.1.2 旋转坐标系下的控制方程103-104
• 6.1.3 旋转坐标系下的降阶模型104-106
• 6.2 三维算例106-108
• 6.3 本章小节108-109
• 第七章 结论与展望109-111
• 7.1 结论109-110
• 7.2 创新点110
• 7.3 展望110-111
• 主要符号对照表111-113
• 参考文献113-121
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利情况121-123
• 致谢123

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