综合lagrangian动力大涡模拟与致动线法的风力机尾流数值模拟研究

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1、UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目综合Lagrangian动力大满模拟与致动线法的风力机尾流数值模拟研究学科专业____________机械电子工程学号____________200911080107作者姓名________________钟宏民指导教师杜平安敦授独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过

2、的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同丄作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作丫明确的说明并表示谢意。作者签名：知f兔A.日期：阵z月巧丨-i论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：对奔八导师签名：净為聲口

3、期：士年厂月巧丨―j分类号密级注1UDC学位论文综合Lagrangian动力大涡模拟与致动线法的风力机尾流数值模拟研究（题名和副题名）钟宏民（作者姓名）指导教师杜平安教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业机械电子工程提交论文日期2015.4.17论文答辩日期2015.6.4学位授予单位和日期电子科技大学2015年6月日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。LAGRANGIANDYNAMICLARGE-EDDYSIMULATIONOFWINDTURBINEWAKESCOMBINEDWITHAN

4、ACTUATORLINEMETHODADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MechatronicEngineeringAuthor:HongminZhongAdvisor:ProfessorPinganDuSchool:SchoolofMechatronicsEngineeringofUESTC摘要摘要风力机尾流效应是影响风力机发电效率、转子疲劳寿命以及电网稳定性的重要因素，因此一直受到风能领域研究者的广泛关注。然

5、而，风力机尾流是一种复杂的非定常湍流流动，并要受到风力机结构、运行状态、风场内风力机布局、地形地貌、大气边界层等诸多因素的影响，其机理至今尚不完全清楚，以至当前大多风力机及风场的设计不得不借助低精度的尾流工程经验模型。当前风力机发电机组具有大型化或超大型化的趋势，这将对风力机遭受的气动力及气-弹性问题提出更大的挑战，为此研究风力机尾流的高精度模型及尾流流动特性是非常必要的。本文提出一种基于致动线法（ALM）的Lagrangian动力大涡模拟（LES）模型，并运用该模型对MEXICO风力机转子近、远尾流的流动特性进行了详细的数值模拟研究。主要研究

6、内容归纳如下：（1）提出一种专用于风力机尾流数值模拟的基于ALM的Lagrangian动力LES模型。由于风力机转子、塔、地形及大气等作用，风力机尾流往往是非均匀各向异性湍流。为此本文采用Lagrangian动力LES数值方法，以更好地求解非均匀各向异性湍流。另外，如果完全求解风力机转子的边界层，其计算量将相当大，从而不利于工程应用。因此本文引入基于叶栅动量理论（BEM）的ALM以等效风力机转子边界层对尾流的影响。（2）引入Prandtl–Glauert叶根/叶尖校正模型及Snel等提出的三维旋转修正模型。基于BEM的ALM模型通常在有限长叶片

7、的叶尖及叶根处误差很大，为此引入Prandtl–Glauert叶根/叶尖校正模型以改善这种状况。此外，ALM模型要用到翼型升、阻力气动力数据表，但已有的翼型气动力数据是在二维翼型条件下测得的。而进一步的研究发现，实际的三维转子因受到离心力及科氏力的作用会导致实际转子的翼型气动力数据与二维翼型气动力数据相差甚大，因此本文引入Snel等提出的三维旋转修正模型以改善这一问题。（3）引入Shives等提出的有关Gaussian光顺函数中长度尺度因子的选择方法。按照传统方法，ALM模型中Gaussian光顺函数长度尺度因子的选择主要依赖转子区域网格的大小

8、，但在实际模拟中，转子区域网格大小的确定往往非常困难。Shives等提出的方法把长度尺度因子与有物理意义的叶片局部弦长以及转子区域的网格大小关联起来，