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机械工程师
MECHANICALENGINEER
浮式风力发电机纵摇时气动性能研究
高杰，龚希武，张恒，葛越锋
（浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）
摘要：研究了水平轴浮式风力发电机CFD数值模拟的有效性，探讨了在相同来流速度、不同纵摇角度时对风力发电机计算结果的影响，最后得出在不同纵摇角度位置，气流对风力发电机输出功率以及对叶片表面压力、功率系数均产生了一定
影响，同时分析了各个位置的尾流场，对以后海上风力发电机的研究提供了理论依据和参考资料。关键词调：漂浮式：风力发电机：纵摇：气动性能
中图分类号：TP391.7：TM315 0引言
文献标志码：A
随着经济社会的发展，石化能源的消耗与日俱增，而且导致了严重的资源枯竭与环境污染，因此可再生能源异军突起，高效、清洁、低碳已成为世界新能源发展的主流方向"。风能是一种清洁、无污染、可再生能源，而且风力资源具有蕴藏量巨大、分布广泛等优势，因此其开发利用得到了世界各国的重视国。相对陆地风能发电，海上风速大、风向稳定，且湍流度和风剪切较小，从而使海上风力机具有更大的输出功率和更好的疲劳特性。目前，在水平轴风力发电机的气动性能研究中，基本考虑的是风力发电机叶轮绕固定轴做旋转运动4-7，但由于漂浮式风力发电机的浮体受到海流、波浪以及风的作用会发生横播
或者纵摇，进而带动叶轮在旋转运动的同时发生摇动，从而影响了风力发电机的气动性能。因此，研究风力发电机叶轮在纵操运动下的载荷及气动性能就显得特别重要。
由于海上风力发电机在纵摇角度小于15°时才能正常工作因，本文基于Fluent软件，研究在纵据幅值小于15 范围内，风速、纵摇角度等参数对叶轮载荷及气动性能的影响。为研究海洋工程载体的波浪运动响应、浮式风力发
电机的载体结构设计及电能控制等提供相关数据。 1模型建立
1.1风力发电机的设计参数
风力发电机与潮流能水轮机的工作原理相似，主要是工作介质有差别。张亮网采用滑移网格及动网格技术，对无界均匀来流中三维两叶片水平轴水轮机旋转叶轮强迫纵摇时的三维水动力特性进行了分析，并取得相应结论。本文设计风速取为12m/s，纵摇位置取0°~14°，叶片直径为68m，叶型选择NACA63-215，分别研究了在纵摇幅值下三维三叶片风力发电机叶轮的载荷与风动力性能。 1.2建立计算域及模型
通过SolidWorks三维建模软件进行风力发电机叶轮
的建模，并采用Gambit软件对模型进行网格的划分，本模型采用局部加密法对风轮叶片周围进行局部加密，提高计算精度同时对流场区域采用非结构化网格进行网格划分。基金项目：国家自然科学基金项目（51579223）
(a）叶片模型
文章编号：1002-2333(2016)12-0031-05
(b）旋转域网格
（a）织播14模型及网格划分
(e）计算域网格
（e）激据-14模型及网格划分
图1模型及网格划分
数值模拟 2
理论基础 2.1
来流速度为U.水轮机直径为D.叶片数为N.旋转角速度为@，为了方便分析，定义无量纲参数如下：
Me
=5050.ca
0.5pUR2
I=0.16Re-,P=M
式中：入为叶尖速比；R为叶轮半径；C,为叶轮升力系数；F 为叶轮阻力：C,为能量利用率：M为叶轮轴向转矩:e为介
质密度：C为阻力系数：为瑞流强度。 2.2边界条件设置
运用Fluent数值模拟软件，设置进口边界为速度进
1.48n 1.47 1.46
1.43 1.42 1.41
15
10
级据偏角/(°)
图2纵摇幅度对输出功率影响
网址：www.jxgcs.com 电邮：hrbengineer@163.com 2016年第12期131
万方数据