[发明专利]一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法

说明书

技术领域

本发明涉及尾涡预报方法领域，特别是涉及一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法。

背景技术

全世界对能源的需求日益增加。风能作为可再生能源代表，已成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，截至2011年底中国的风机装机量累计达62GW，位居世界第一。但盲目的扩张导致了产能过剩，据全球投资银行最新统计数据显示，2011年中国电网只能接纳15GW-16GW，目前有20GW的风电容量无法被消化，因此中国风电业需要进一步思考扩张计划。一种战略选择是：发挥沿海可再生能源的资源与地域优势，大规模发展海洋可再生能源，这也充分体现了经济合理的能源发展观。因此，风机从陆上进入了浅海：风能与潮流能核心转换装置是叶轮，按照结构形式主要分为水平轴与竖轴两种，其中水平轴形式是商业主流。经验和研究表明：同装机容量竖轴轮机造价是水平轴轮机造价的1/3。它以其造价低廉、维护方便、对各种流向自适应，适合离网发电的特点适合作为沿海经济群特别是海岛能源供给的主要来源。

竖轴轮机的核心装置是叶轮，叶轮的流体动力特性对轮机的能量利用率有着至关重要的作用。目前，叶轮的流体动力预报方法主要有三种：基于动量叶素理论的流管模型、基于势涡理论的涡方法和基于求解N-S方程的粘性CFD方法。

流管模型可以给出叶轮的能量利用率-速比特性、功率-流速(转速)特性、叶片的平均载荷等叶轮总体流体特性，还可以给出制动面内流场流速分布等细节。但是，由于流管模型基于无穷叶片平均假设，因而无法准确预报叶片的非定常特性和瞬时载荷；其次，动量方程在大速比、高密实度下求解容易发散，因此不太适用于计算轮机重载时的流体特性。涡方法能够有效地描述流场细节，但是也存在固有的缺陷：一是基于旋涡理论的方法是在势流框架下建立的，因此当轮机工作在小速比时，叶片攻角幅值较大，易出现流动分离与动态失速现象，粘性影响作用较大，计算容易发散；另一个是涡方法耗时较长，不能满足工程快速预报叶轮流体性能的要求。粘性CFD方法计算则最为耗时，计算结果要求软件使用者有着丰富的经验，适合作为轮机选型后的验证与精细设计时使用。

由于竖轴风机与潮流能水轮机的能量转换装置是叶轮，叶轮的流体动力部件通常是一组截面为翼型的叶片，如果忽略了自由表面效应、塔架效应、叶轮与支撑结构的干扰等因素，单从理想叶轮的角度来分析竖轴轮机的流体动力学特性与机理，它可以从本质上可以归结为多叶片绕流问题。叶片在做大攻角高频运动时传统的库塔条件并不适用，需要结合适当的非定常库塔条件。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，其在涡面元法的基础上，结合一种新的库塔条件，发展了有限涡方法，该方法对动态失速现象有更好的适应性，为达此目的，本发明提供一种竖轴旋转发电装置的尾涡预报方法，具体步骤如下：1)输入翼型周线坐标η_i，ε_i，进行势流求解和粘性边界层求解；所述势流求解先布置源汇与中弧线线性涡，后结合库塔条件和法向不可穿透条件方程组得到源汇强度σ_i，γ；

所述方程组如下：

建立大地坐标系(O:XY)，机翼局部坐标系为(o:xy)。机翼的运动可以由局部坐标参考点o的平动速度U和机翼绕参考点o转动的角速度Ω来描述；设来流为V_A(t)，在无穷远处速度为：

V_A＝(V_x,V_y)    (1)

流体域τ_e内的场点p的速度势Φ(p,t)满足Laplace方程：

▿2Φ=0---(2)]]>

在机翼表面S_b上满足法向不可穿透条件：