一种用于仿生塔柱型风力机的气动设计方法

本发明涉及风力机气动特性优化设计领域，特别涉及一种用于仿生塔柱型风力机的气动设计方法。

背景技术：

1、能源与人类社会息息相关，它是发展生产与提高人类生活水平的重要物质基础。随着人口增长和经济发展，人们对能源的需求也在不断增长，在化石燃料紧缺的当代，加之全球气候变化的愈发严重，发展清洁的可再生能源已成为当今国际最迫切关注的能源问题之一。风能作为可持续再生的能源，干净清洁无污染，具有很高的生态环境效益价值。全球可供开发利用的风力资源数量约为4350gw，其中约有1000gw的陆地和200gw的海上可利用现有技术进行商业开发。在中国资源比较充足，中国幅员辽阔、海岸线曲折绵长，具有极丰富的风力资源。大幅提升我国风能利用比例，是实现“3060”国家能源战略的重要举措。

2、随着全球风力机行业的迅猛发展，风力机的大型化已成为未来的发展趋势。现代大型的兆瓦级水平轴变桨恒频风力机大多采用的都是圆柱形薄壁塔柱的设计结构，由于在实际工程应用中，自然界的风变化多端，其在空间和时间上都具有很大的不确定性，因此使得风对于风力机的叶片和塔柱在结构和所受载荷等一些方面的影响也相应变得十分复杂，当流体经过风力机时，在塔柱后方会产生频繁脱落的卡门涡街，涡街与柱体相互作用便会形成涡激振动，这种现象会对塔柱的结构造成严重的安全隐患；此外当流体经过风力机时，由于塔柱的阻挡作用会产生塔影效应，这种效应会影响叶片上受到的空气动力载荷，减小叶片的疲劳寿命及输出功率，同时塔影效应还会影响风力机的尾流区，进而对下游风力机的功率输出造成影响。

3、仿生学研究表明海豹胡须周围流场与光滑圆柱相比，其平均阻力和脉动阻力大幅减小，胡须振动显著减弱，旋涡脱落过程受到了很大的抑制，这有助于减小柱体表面上的脉动压力。因此提出了一种用于仿生塔柱型风力机的气动设计，采用实验测量与数值计算相结合的方法，系统研究仿生塔柱对水平轴风力机叶片减载、增功的影响机理，改变传统圆柱塔柱的阻力特性和尾流结构，减小塔柱对叶片的塔影效应，以保证风力机可以尽可能减小安全隐患，提高功率输出。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种用于仿生塔柱型风力机的气动设计方法，适用于不同工况下风力发电机塔柱气动设计，改善塔影效应造成的影响，提高风力机的功率输出，为水平轴风力机气动优化设计提供理论基础和科学依据，有利于风力机的实际应用。

2、本发明的目的是这样实现的：一种用于仿生塔柱型风力机的气动设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1)用三维建模软件对风力机塔柱进行改良设计，在已有的海豹胡须模型上进行改良，同时选取具有相同水力直径的传统光滑圆柱塔柱进行对比研究；

4、步骤2)采用数值模拟计算的方法，将改良后的仿生塔柱模型与圆柱塔柱模型进行对比，从塔柱表面力、速度分布及流动模式和压力分布这几个方面进行分析，研究不同外形结构的塔柱的气动特性；

5、步骤3)3d打印改良后的仿生塔柱模型和圆柱塔柱模型，在节点截面和鞍点截面均匀分布测压孔；

6、步骤4)布置风洞试验装置，采用电子压力扫描阀及热线风速仪开展试验；

7、步骤5)采用风洞试验的方法，进行数据的采集，对比圆柱塔柱模型和仿生塔柱模型的表面压力气动力及尾迹，研究不同外形结构的塔柱的气动特性；

8、步骤6)用三维建模软件对风力机叶片、轮毂、机舱建模，并将设计的仿生塔柱结合旋转叶片，应用在水平轴风力机上；

9、步骤7)采用数值模拟计算的方法，对比仿生塔柱型风力机与圆柱塔柱型风力机的气动性能以及尾流场特性的一系列模拟计算结果，研究对于不同外形结构的塔柱，塔影效应对叶片所受载荷，旋转风轮轴向受力以及瞬时扭矩造成的影响。

10、作为本发明的进一步限定，步骤1)中所述对风力机塔架进行改良设计具体包括：改变两种椭圆形控制截面的长短轴比以及与水平面的倾斜角，同时以塔架中心高度处的椭圆形控制截面为基础面，基础面以上的椭圆形控制截面，依次相对于相邻的下一个控制面，绕塔架高度方向中心线逆时针旋转角度γ，基础面以下的椭圆形控制截面，依次相对于相邻的上一个控制面，绕塔架高度方向中心线顺时针旋转角度γ，使塔架沿高度方向呈螺旋形。

11、作为本发明的进一步限定，步骤2)和步骤7)中所述采用数值模拟计算的方法具体包括，计算工况均为雷诺数re＝30000的亚临界雷诺数区域，应用的湍流模型为由γ-reθ转捩模型和k-ωsst模型耦合而成的四方程转捩模型；模拟工况为不同风攻角下，将仿生塔柱模型和圆柱塔柱模型进行对比，从塔柱表面力、速度分布及流动模式和压力分布这几个方面进行计算分析。

12、作为本发明的进一步限定，步骤5)中所述采用风洞试验的方法具体包括，通过在计算工况为雷诺数re＝30000的亚临界雷诺数区域下，进行数据的采集，风洞试验装置的底部预置洞口便于连接压力软管至电子压力采集系统，有一圆盘安装在测试柱体顶部消除端部的干扰。

13、作为本发明的进一步限定，步骤5)中所述圆柱塔柱模型的表面压力气动力测量采用式(1)进行处理；

14、

15、式(1)中，pj为j号测压孔静压j＝1～19，p0为皮托管测试的来流静压，ρ为来流空气密度，u0为自由流速度，cp为截面上测量孔的压力系数。

16、作为本发明的进一步限定，步骤5)中所述仿生塔柱模型的表面压力气动力测量采用式(2)及式(3)进行处理；

17、

18、

19、式(2)及式(3)中，cl为仿生柱体各截面的升力系数，cd为仿生柱体各截面的阻力系数，θ为测点位置与原驻点的夹角，其值从0°至180°，n为0°～180°范围内布置的测点。

20、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：对于风力机塔柱的气动设计，本发明在已有的海豹胡须模型上进行改良，采用数值仿真和实验测量相结合的手段验证设计思路的正确性，实验稳定性好，数据准确性高，并在此基础上分析了长短轴较为接近的椭圆截面仿生柱体的气动力及抑制涡振的能力。之后本发明又采用数值模拟的方法，将设计的仿生塔柱结合旋转叶片，应用在水平轴风力机上，通过对有叶片扰动时仿生塔柱与圆柱塔柱的数值模拟计算对比分析，研究叶片不同方位角时由于塔柱形状的不同形成的塔影效应对叶片受到的空气动力载荷，分析仿生塔柱对旋转风轮轴向受力以及瞬时扭矩造成的影响。主要考虑到实际应用中，当风吹过塔柱时，在塔柱后方的尾流区两侧会交替产生卡门涡街的脱落，而涡街和塔柱的相互作用会导致“涡激振动”现象的产生，这一现象会对塔柱形状造成严重的安全隐患，为此本发明采用改良后的海豹胡须仿生柱体作为风力机塔柱，使得塔柱后方的涡街脱落有效抑制。考虑到塔柱对于各方向的来流风较为敏感，塔柱表面所受的升阻力对于不同的来流风向变化较大，导致风力机的偏航应用不佳，为此本发明采用改良后的仿生塔柱进行数值模拟与风洞试验，验证所设计的仿生塔柱在不同风攻角的情况下能够有效的应用偏航功能。考虑到风力机叶片的旋转扰动会影响塔柱后方的尾流场，同时塔柱导致的塔影效应会影响空气动力载荷，从而影响叶片所受到的推力及扭矩和风力机的输出功率，为此采用仿生塔柱型风力机的气动设计，使得塔影效应对空气动力载荷以及塔柱尾流区的影响更小，提高风力机的功率输出。