[论文解读] An Examination of Rotational Effects on Large Wind Turbine Blades

Galih Bangga, Thorsten Lutz+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Wind Energy Research and Development参考文献 7被引用 11

一句话总结

本研究通过10兆瓦AVATAR叶片的CFD模拟，探究了大风力涡轮机叶片的旋转效应。在一致流入气流条件下，结果表明旋转增升效应显著，表现为升力系数增加、流动分离延迟以及叶根区域尾迹尺寸减小，为大型风能应用中的轮毂区域气动特性提供了关键见解。

ABSTRACT

CFD studies have been performed to demonstrate the effects of rotation on large wind turbine blades. The 10 MW blade of the Advanced Aerodynamic Tools for Large Rotors (AVATAR) project was selected in the present investigation. In order to demonstrate the rotational augmentation, lift coefficients of the blade sections were compared with the two-dimensional simulations at consistent inflow conditions. The increase of the lift coefficient was observed at the inboard section of the blade, showing the effect of rotation. A significant delay of separation point as well as a massive reduction of the wake size occur at the inboard blade section. The results of the present manuscript provide more information of the rotational augmentation occurring in the near hub region of wind turbine blades.

研究动机与目标

• 通过高保真CFD模拟分析大风力涡轮机叶片的旋转效应。
• 量化大型叶片近轮毂区域的旋转增升效应。
• 在一致流入条件下，比较旋转与非旋转状态下叶片截面的升力系数。
• 研究旋转对流动分离及尾迹发展的影响。
• 为改进叶片设计与性能预测提供数据驱动的旋转效应洞察。

提出的方法

• 对10兆瓦AVATAR叶片进行未定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）CFD模拟。
• 在旋转与非旋转状态下采用相同的流入条件进行模拟。
• 提取沿叶片展向各截面的气动系数，包括升力系数。
• 分析近叶根区域的流动场特性，如分离点与尾迹发展。
• 将二维模拟结果与旋转叶片模拟结果进行对比，以分离旋转效应。
• 通过保持一致的流入条件，确保旋转与非旋转状态之间的有效对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 旋转如何影响大型风力涡轮机叶片叶根区域升力系数的分布？
• RQ2 旋转在多大程度上延迟了大型风力涡轮机叶片的流动分离？
• RQ3 旋转对大型叶片近轮毂区域尾迹尺寸与结构有何影响？
• RQ4 二维模拟与三维旋转叶片模拟中的旋转效应有何差异？
• RQ5 在真实流入条件下，叶片叶根区域的旋转增升效应有多大？

主要发现

• 由于旋转效应，叶片叶根区域的升力系数显著增加。
• 与非旋转模拟相比，旋转状态下叶根区域的流动分离被延迟。
• 旋转状态下尾迹尺寸明显减小，表明气动效率提高。
• 旋转增升效应在近轮毂区域最为显著，证实其在叶片设计中的重要性。
• 结果表明，在大型风力涡轮机叶片的高保真模拟中，旋转效应不可忽略。
• 本研究证实，旋转效应可显著提升叶片叶根区域的气动性能，尤其体现在升力与流动附着方面。