风力发电毕业论文
中英文资料对照外文翻译文献综述
附件1
水平轴风力发电机性能过渡，湍流和偏航的影响
Guanpeng徐和Lakshmi N.桑卡尔
航空航天工程学院
摘要
最近出示的是改善的功能改善的混合动力车的的水平轴风力涡轮机（HAWT）配置Navier-Stokes势流建模方法。研究的重点在三个问题上：湍流模型和转换模型，预测转子规定性能唤醒状态以及非轴向流（偏航）发电的影响，比较转子在国家可再生能源实验室（NREL）的测试与测量数据.
简介
水平轴风力涡轮机空气动力学的计算研究工作是在佐治亚理工学院进行。本研究着重于了解影响风力涡轮机在非轴向和非均匀流入的流动机制的性能，也解决了高效的计算技术的发展，以补充现有的联合叶片元素动量理论方法。
这项工作是一个扩展的3-D的混合Navier-Stokes/potential流动求解，并已在佐治亚理工学院的水平轴风力发电机（HAWT）进行改善。在这种方法中的三维非定常可压缩Navier-Stokes方程的解决只能在周围的转子叶片上的贴体网格这片一个很小的区域，。远离叶片的和潜在的流动方程需要从叶片脱落的涡模拟涡细丝涡留下的Navier-Stokes地区的求解。 这些细丝自由对流的地方流动。由于复杂的Navier-Stokes方程的计算只在附近的风力涡轮机叶片的地区，因此跟踪的涡利用拉格朗日方法，这是更有效的Navier-Stokes方程的方法级。
基本的Navier-Stokes方程混合势流的方法和其应用程序HAWT下轴流条件的记录在AIAA-99-0042（徐和Sankar，1999年）
.
本研究范围
本文介绍了近期的流动求解的增强功能和应用程序配置的兴趣。增强集中在以下三个方面：过渡和湍流模型，物理一致唤醒建模，建模的偏航效果。下文简要讨论这三个领域。
过渡和湍流的建模问题：
研究两种湍流模型和两个过渡模型的预测性能影响的进行评估。一个显示Spalart-Allmaras湍流方程湍流模型（书珥等，1998），另一个对基线鲍德温 - 洛马克斯零方程湍流模型进行了研究。
HAWT系统中遇到低的相对速度和小和弦的长度的后果会使一个显着的部分可以在叶片的边界层产生层流。过渡线的位置会影响档案中由转子消耗的功率，并且会影响发电。现有两个过渡模型预测的过渡位置，一个是Eppler，一个基于Michel的判据。Eppler模型是许多国家再生能源实验室赞助的设计规范，是一个明显的第一个候选过渡预测。 而Michel的准则（米歇尔1984）开发基于二维的不可压缩的流中的测量。这些模型使用了许多飞机产业边界层代码，如开发Tuncer杰贝吉（1989）。
唤醒几何建模：
规定尾流模型在混合动力Navier-Stokes/Potential的流动分析已被修改，以适当反映转子的状态，可以认为是风速的变化。它是由Glauert（1937）并延长了威尔逊和Lissaman的（1972年）基于理论和现象提出的风转子的转子状态。
偏航的影响：
最后数值计算方法建模在倾斜的风（偏航）的条件下得到了发展。至于在轴流模拟计算偏航只需要一个单一叶片的空气动力学模型。其他的叶片将经历相同的负载和流动模式的1 / N转（其中N是叶片的数量）。三叶片转子的转子盘计算领域涵盖了120度。在目前程序在偏航条件下保留了混合方法的效率。一个完整的Navier-Stokes方程的混合方法，需要所有刀片的造型，将大大增加计算。
数学和数值配方
AIAA-99-0042（许和Sankar，1999）中给出的混合动力车背后的理论在本混合方法的完整描述。 ，桑卡尔和他的同事们还使用了混合过程中的几个固定翼和旋转翼解算器。出于这个原因需要列出湍流过渡模型增强功能和扩展流求解器偏航条件。
选用Spalart-Allmaras湍流模型：
第一个增强的混合分析是一个简单的代数涡粘度模型与现象学的一个方程涡粘性模型Spalart-Allmaras模型的代换。
在这个模型中，雷诺压力由下式给出
?uiuj?2?tSij （1）
且 涡粘度
Sij???Ui?xj??Uj?xi?2 （2）
?t?~?fv1 （3）
3? fv1?33 ??cv1其中，
~?And, ??
?
这里是分子粘度。
数量是工作的变量和服从的输运方程。
D?~~1~???~??c???~?2?cb1?1?ft2?S?????????b2 Dt?~?2cb1??????cw1fw?2ft2????ft1?U2????d?~??
(4)
在这里，S是的涡量的大小，
~?~S?S?22fv2 (5)
?d另外，d是为最接近的壁的距离，并
fv2?1??
1??fv16w36w3
1 (6)
该函数由下面的表达式给出：
?1?c?6 fw?g?6??g?c?而且 并且
(7)
g?r?cw2?r6?r? (8)
~?r?~22
S?d
(9)
对于大型的r值，FW渐近达到一个恒定值，r的值可以被截断在10左右。 壁面边界条件是V= 0。在来流V= 0时是最好的工作条件，提供的数值误差不超过负值的边缘附近的边界层。以下的值是可以接受的。
Spalart-Allmaras模型具有一个内置的提供用于驱动涡粘度为零的过渡点的
上游。这是通过平方英尺的函数使它前进到统一的过渡点的上游。
(10)
跳闸功能的计算方法如下。让dt为从场点的距离到跳闸位置，这是在墙上。让的数量的壁涡度在跳闸位置，其差为场点之间的速度和在行程。然后，我们可以计算一个中间值是网格间距沿着墙壁的行程位置。最后，
??t2222ft1?ct1gtexp???ct2?U2d?gtdt?ft2?ct3exp??ct4?2?
? ????? (11)
常数是：
cb1=0.1355, ?=2/3, cb2= 0.622, ?=0.41,c?1?cb1?2??1?cb2??,c?2=0.3, c?3=2, c?1=7.1, ct1?1, ct2?2ct3?1.1,ct4?2.
选用Spalart-Allmaras模型的进一步详细信息，的书珥等。 （1998年）。
Eppler过渡预测模型
第二个增强的混合方法是把的过渡线预测模型。两种模式，一种由Eppler和第二由Michel已调查。
Eppler的过渡模式，混合动力车Navier-Stokes/Potential流的分析，以下列方式实施。每10个时间步长左右，在一个时间的一个径向位置涡轮叶片上的表面压力分布传递给一个不可分割的边界层分析。在边界层内分析时，流向如动量厚度的层流边界层的数量增长?，形状因子H，能源厚度?3，和因子H32=?3/?使用特威士'方法（特威士，1949计算）。过渡预测发生动量厚度的基础上，如果雷诺数变大，使得：
?u?? log?e??18.4H32?21.74?0.34r （12）
???这里是在边缘的速度边界层，'r'是粗糙度因子。对于高度抛光的表面，r可以视为零。
该模型还预测，如果层流边界层的分离，过渡发生，并且所述转子的前缘附近形成一个分离泡。
陈Thyson转移模型和米歇尔的标准：
在这个模型中，过渡是说发生在本地雷诺数动量厚度的基础上基于长度的雷诺数有关的弦向位置，
?22400?0.46?1?Rx （13） R??1.174? ??Rx??为了避免突然的转变，，陈和Thyson推荐的涡流粘度乘以系数： ?tr?1?exp??G?x?xtr????xxtrdx? （14） ue??过渡区域的开始点的上游，被设置为零。量G计算：
3?3?ue?1.34G??2?2Rxtr （15）
?C??过渡雷诺数的定义为：
ux? Rxtr???e?? （16）
??tr而且，
C2?213logRxtr?4.7323 （17）
??应当指出，是根据本地流速度（风速，诱导速度，由于旋转的叶片速度的矢量和的大小）的数量的Rx。因此，用于风力涡轮机中， Rx?u?localx??xu?localcVtip?x?~ （18） cVtip???ulocalRetip?c?2?r?????? （19） ??R??2?的无量纲的速度被计算为，
~ulocal?v?vi??wind?Vtip?其中，r是从轮毂的局部径向距离，R是尖端半径，是无量纲的x坐标。诱导速度Vi是估计一阶的动量理论。雷诺数动量厚度的基础上还使用自由流速度，而不是边界层边缘速度计算。
偏航模拟方法:
造型轴风力条件下（偏航）的数值程序已经研制成功。在轴流计算，偏航计算只需要一个单一的叶片的空气动力学模型。其他的叶片将经历相同的负载和流动模式的1 / N转后（其中N是叶片的数量）。对于一个三叶片转子的计算域覆盖120°部的转子盘在一个特定的运行时间。因此，本程序保留即使对于偏航条件下的混合方法的效率。相反的混合方法，将需要一个完整的Navier-Stokes方程建模的所有刀片服务器，大大增加了计算。
当开发基于分析建模在横流的转子的第一原理，有三种类型的非轴向流（偏航）的影响处理。首先是在流之间的前进和后退的双方，由于“边缘明智”转子盘的平面中的速度分量的差。正如图1中所示，涡轮机叶片经历了较高的前进侧和后退侧的相对速度比对。这种速度波动产生的叶片负载的波动和产生的功率。
必须进行建模的第二个效果是如在图2中所示的偏度端涡流唤醒。这导致在一个方位非均匀引起的流场在转子平面。此外，唤醒涡度强度和叶片上的载荷将随时间而改变。相反，这是一个在轴向流动，其中叶片载荷是独立的叶片的方位角位置。
最后，尽可能分析必须包括转子叶片的气动弹性变形和刀片teetoring和拍打运动。由于转子测试NREL使用僵硬的叶片时，叶片被假定是刚性的，没有任何循环
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