水平轴风力发电机性能过渡，湍流和偏航的影响外文翻译.doc

AIAA-2000-0048理工学院毕业设计(论文)外文资料翻译专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 外文出处： Xu, G., Sankar, L. N., “Effects of Transition, Turbulence, and Yaw on the Performance of Horizontal Axis Wind Turbines”, AIAA-2000-0048, Prepared for the 38th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January 10-13, 2000, p. 259-265.(用外文写) 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日附件1水平轴风力发电机性能过渡，湍流和偏航的影响Guanpeng徐和Lakshmi N.桑卡尔航空航天工程学院摘要最近出示的是改善的功能改善的混合动力车的的水平轴风力涡轮机（HAWT）配置Navier-Stokes势流建模方法。研究的重点在三个问题上：湍流模型和转换模型，预测转子规定性能唤醒状态以及非轴向流（偏航）发电的影响，比较转子在国家可再生能源实验室（NREL）的测试与测量数据.简介水平轴风力涡轮机空气动力学的计算研究工作是在佐治亚理工学院进行。本研究着重于了解影响风力涡轮机在非轴向和非均匀流入的流动机制的性能，也解决了高效的计算技术的发展，以补充现有的联合叶片元素动量理论方法。这项工作是一个扩展的3-D的混合Navier-Stokes/potential流动求解，并已在佐治亚理工学院的水平轴风力发电机（HAWT）进行改善。在这种方法中的三维非定常可压缩Navier-Stokes方程的解决只能在周围的转子叶片上的贴体网格这片一个很小的区域，。远离叶片的和潜在的流动方程需要从叶片脱落的涡模拟涡细丝涡留下的Navier-Stokes地区的求解。 这些细丝自由对流的地方流动。由于复杂的Navier-Stokes方程的计算只在附近的风力涡轮机叶片的地区，因此跟踪的涡利用拉格朗日方法，这是更有效的Navier-Stokes方程的方法级。基本的Navier-Stokes方程混合势流的方法和其应用程序HAWT下轴流条件的记录在AIAA-99-0042（徐和Sankar，1999年）.本研究范围本文介绍了近期的流动求解的增强功能和应用程序配置的兴趣。增强集中在以下三个方面：过渡和湍流模型，物理一致唤醒建模，建模的偏航效果。下文简要讨论这三个领域。过渡和湍流的建模问题：研究两种湍流模型和两个过渡模型的预测性能影响的进行评估。一个显示Spalart-Allmaras湍流方程湍流模型（书珥等，1998），另一个对基线鲍德温 - 洛马克斯零方程湍流模型进行了研究。HAWT系统中遇到低的相对速度和小和弦的长度的后果会使一个显着的部分可以在叶片的边界层产生层流。过渡线的位置会影响档案中由转子消耗的功率，并且会影响发电。现有两个过渡模型预测的过渡位置，一个是Eppler，一个基于Michel的判据。Eppler模型是许多国家再生能源实验室赞助的设计规范，是一个明显的第一个候选过渡预测。 而Michel的准则（米歇尔1984）开发基于二维的不可压缩的流中的测量。这些模型使用了许多飞机产业边界层代码，如开发Tuncer杰贝吉（1989）。唤醒几何建模：规定尾流模型在混合动力Navier-Stokes/Potential的流动分析已被修改，以适当反映转子的状态，可以认为是风速的变化。它是由Glauert（1937）并延长了威尔逊和Lissaman的（1972年）基于理论和现象提出的风转子的转子状态。偏航的影响：最后数值计算方法建模在倾斜的风（偏航）的条件下得到了发展。至于在轴流模拟计算偏航只需要一个单一叶片的空气动力学模型。其他的叶片将经历相同的负载和流动模式的1 / N转（其中N是叶片的数量）。三叶片转子的转子盘计算领域涵盖了120度。在目前程序在偏航条件下保留了混合方法的效率。一个完整的Navier-Stokes方程的混合方法，需要所有刀片的造型，将大大增加计算。数学和数值配方AIAA-99-0042（许和Sankar，1999）中给出的混合动力车背后的理论在本混合方法的完整描述。 ，桑卡尔和他的同事们还使用了混合过程中的几个固定翼和旋转翼解算器。出于这个原因需要列出湍流过渡模型增强功能和扩展流求解器偏航条件。选用Spalart-Allmaras湍流模型：第一个增强的混合分析是一个简单的代数涡粘度模型与现象学的一个方程涡粘性模型Spalart-Allmaras模型的代换。在这个模型中，雷诺压力由下式给出 （1）且 （2）涡粘度 （3）其中， And, 这里是分子粘度。数量是工作的变量和服从的输运方程。 (4)在这里，S是的涡量的大小， (5)另外，d是为最接近的壁的距离，并 (6)该函数由下面的表达式给出： (7)而且 (8)并且 (9)对于大型的r值，FW渐近达到一个恒定值，r的值可以被截断在10左右。壁面边界条件是V= 0。在来流V= 0时是最好的工作条件，提供的数值误差不超过负值的边缘附近的边界层。以下的值是可以接受的。Spalart-Allmaras模型具有一个内置的提供用于驱动涡粘度为零的过渡点的上游。这是通过平方英尺的函数使它前进到统一的过渡点的上游。 (10) 跳闸功能的计算方法如下。让dt为从场点的距离到跳闸位置，这是在墙上。让的数量的壁涡度在跳闸位置，其差为场点之间的速度和在行程。然后，我们可以计算一个中间值是网格间距沿着墙壁的行程位置。最后， (11)常数是：cb1=0.1355, =2/3, cb2= 0.622, =0.41,=0.3, =2, =7.1, , ,.选用Spalart-Allmaras模型的进一步详细信息，的书珥等。 （1998年）。Eppler过渡预测模型第二个增强的混合方法是把的过渡线预测模型。两种模式，一种由Eppler和第二由Michel已调查。Eppler的过渡模式，混合动力车Navier-Stokes/Potential流的分析，以下列方式实施。每10个时间步长左右，在一个时间的一个径向位置涡轮叶片上的表面压力分布传递给一个不可分割的边界层分析。在边界层内分析时，流向如动量厚度的层流边界层的数量增长q，形状因子H，能源厚度d3，和因子H32= d3/q使用特威士方法（特威士，1949计算）。过渡预测发生动量厚度的基础上，如果雷诺数变大，使得： （12）这里是在边缘的速度边界层，r是粗糙度因子。对于高度抛光的表面，r可以视为零。该模型还预测，如果层流边界层的分离，过渡发生，并且所述转子的前缘附近形成一个分离泡。陈Thyson转移模型和米歇尔的标准：在这个模型中，过渡是说发生在本地雷诺数动量厚度的基础上基于长度的雷诺数有关的弦向位置， （13）为了避免突然的转变，陈和Thyson推荐的涡流粘度乘以系数： （14）过渡区域的开始点的上游，被设置为零。量G计算： （15）过渡雷诺数的定义为： （16）而且， （17）应当指出，是根据本地流速度（风速，诱导速度，由于旋转的叶片速度的矢量和的大小）的数量的Rx。因此，用于风力涡轮机中， （18）的无量纲的速度被计算为， （19）其中，r是从轮毂的局部径向距离，R是尖端半径，是无量纲的x坐标。诱导速度Vi是估计一阶的动量理论。雷诺数动量厚度的基础上还使用自由流速度，而不是边界层边缘速度计算。偏航模拟方法:造型轴风力条件下（偏航）的数值程序已经研制成功。在轴流计算，偏航计算只需要一个单一的叶片的空气动力学模型。其他的叶片将经历相同的负载和流动模式的1 / N转后（其中N是叶片的数量）。对于一个三叶片转子的计算域覆盖120部的转子盘在一个特定的运行时间。因此，本程序保留即使对于偏航条件下的混合方法的效率。相反的混合方法，将需要一个完整的Navier-Stokes方程建模的所有刀片服务器，大大增加了计算。当开发基于分析建模在横流的转子的第一原理，有三种类型的非轴向流（偏航）的影响处理。首先是在流之间的前进和后退的双方，由于“边缘明智”转子盘的平面中的速度分量的差。正如图1中所示，涡轮机叶片经历了较高的前进侧和后退侧的相对速度比对。这种速度波动产生的叶片负载的波动和产生的功率。必须进行建模的第二个效果是如在图2中所示的偏度端涡流唤醒。这导致在一个方位非均匀引起的流场在转子平面。此外，唤醒涡度强度和叶片上的载荷将随时间而改变。相反，这是一个在轴向流动，其中叶片载荷是独立的叶片的方位角位置。最后，尽可能分析必须包括转子叶片的气动弹性变形和刀片teetoring和拍打运动。由于转子测试NREL使用僵硬的叶片时，叶片被假定是刚性的，没有任何循环俯仰或扑的叶片。本杂交的方法一直延续到模拟偏航条件。此方法使用一个扭曲的唤醒的几何建模偏航流动条件。歪斜角度流入速度（这是一个组合的诱导速度从动量理论和风速的正常的组成部分）和扁绕风速分量之间的比率确定。两步precedure已被用于建模偏航效果。第一步在给定风速模拟轴流条件，当混合动力码已经收敛，保存梢涡的强度和唤醒的几何形状设计的轴向流条件。这些数量作为第二步骤，如上面所讨论，唤醒几何形状歪斜的initioal条件和扁绕速度分量被施加到“自由流”速度。峰值绑定循环强度在方位在每10的增量被设定为强度可用于所有的梢涡段棚从所有的叶片，经过两转的做参考叶片的流场可以考虑是发达的和周期性的。与轴向流条件不同的基准叶片部的流动性能在偏航将不收敛到稳定状态的解决方案。重复性的叶片负荷从一个革命的下一个被用作收敛标准。结果与讨论转换模型和湍流模型的研究Baldwin-Lomax和选用Spalart-Allmaras湍流模型Eppler和米歇尔的过渡机型已完全集成到佐治亚理工学院的混合代码。图3和图4示出的预测NREL三期转子（Schepers 1997），工作在6米/秒的风速被称为用于风力涡轮机的上表面和下表面的过渡线。转子72转。在这样低的风速度条件下，流场的表现很好，在大部分的转子附着流。在这些数字中，0 EQN的传说和1 EQN“，分别代表了Baldwin-Lomax和显示Spalart应用SA模型。同时在上和下表面，Eppler的模型预测Michel的预测是上游的过渡位置。 Eppler的模式，在目前的代码实现，首先检查，看看层流边界层分离。如果是这样，Eppler的模型假设，这种转变已经发生。请注意，拐点的分离流边界层引起Tollmien Schlichting不稳定的发展，而转换。米歇尔准则，在另一方面，根据其过渡标准主要的边界层厚度。在这个风速，边界层增长高达55弦或之前，米歇尔的标准检测过渡。下表面上的压力梯度往往比的上侧是更有利。这导致了一个较薄的边界层和分离后面的40弦。其结果是，这两个标准预测过渡将发生后面的相应的上表面位置。根附近的雷诺数是小于105。这两个模型预测，该流程将保持层流至后缘附近的根部区域的方式。还观察到过渡线的位置是相对不敏感，以所使用的湍流模型。图5示出的CER在8m / s的第三阶段的转子的下表面上的过渡线。过渡线，即使整体的图案类似的6米/秒的情况下，以下的差异可能会观察到：一）Michel的模型预测，被延迟了多少的下表面的过渡现象相比，以6米/秒的情况下。这是由于较高的局部攻角的叶片部分的运作中，在转子迎风侧上存在的和有利的压力梯度。b）本Eppler转换模型，另一方面，预测在8m / s的和6米/ s的条件类似的过渡线，大概是因为层状分离检测到在40附近的弦在这两个风力条件。请注意，在S-809翼型件的最大厚度的位置附近，40弦的压力梯度是有利的从前缘到40弦长，在这之后在这些风力条件带来不利的影响。C）在较高的风速，一个更大的区域根附近的迎风面层。d）在过渡线显示Spalart-Allmaras湍流模型预测米歇尔的过渡模式，结合附33的半径。这种现象的原因是不知道在写这篇文章。图6示出的上表面上在8m / s的过渡线。 eppler的模型预测会发生这种过渡前沿附近的，作为一个结果，前缘分离。 Michel的模型，另一方面，预测大约50弦过渡，在过渡位置有相当大的径向变化，尤其是在靠近根。8 m / s和6米/秒的转子之间的上表面过渡模式中观察到的大差异是归属于在涡轮机的运行状态的变化。第三阶段的转子，72转，周围的风速提高到8米/秒，风力涡轮机状态下交换机的运行状态湍流尾流状态（威尔逊，可再生能源等，1974）。偏航结果代码已被修改的混合动力车考虑到三个偏航效果如前所述。第三阶段为10 m / s风速转子进行了研究和20的固定偏航状态。图7示出了所产生的所有的三个叶片的总功率，并考虑到在叶片之间的相位差。瞬时功率曲线显示上重叠的高频分量的平均值。约4的功率波动的时间平均功率。时间平均值是很好的一致性与可再生能源实验室的数据。图7是从模拟的数据，因为傅立叶过滤本结果后的结果包含数值的噪声。例如，在本模拟中，每隔10的方位角更新唤醒诱导速度。这将产生数字噪声在波数为36，即必须过滤掉。第四期转子NREL测量左右，混合求解的结果。第四阶段转子NREL第三阶段的转子相同的几何形状，但已经提高了测量设备。一系列的非稳定的测量的时间持续16秒或18秒的转子的转。测得的数据不仅包括影响的偏航和非定常风流入，但也有其他如塔影，风切变的影响。图8示出了测量的风的晃动。图9比较了本混合方法的结果，在五种典型的时间间隔，每个间隔correspionding一个叶片革命与实测数据。这两种计算的数据和测量表明可比电源波动，约可比平均值。结束语乔治亚理工大学的风力涡轮机代码已被广泛的改善。现在使用经验转移模型来模拟从层流到湍流的过渡。现象学一方程湍流模型已经取代了代数湍流模型。该代码已修改为模型偏航的影响。初步计算验证这些增强功能的预测是一致的测量。致谢国家可再生能源实验室（NREL）支持这项工作。艾伦Laxson和斯科特施罗克国家再生能源实验室，桑迪亚国家实验室和沃尔特沃尔夫是技术的显示器。参考文献：1 的Tuncer杰贝吉，“低雷诺数号码翼型基本要素的方法，”AIAA期刊，。 1989年12月27日，第12号，第1680至1685年。2 陈，KK，和Thyson的，不适用，“埃蒙斯”现货理论扩展到流钝体，“AIAA杂志，。 9，1971年，第821-8253 Eggleston和干洗，风力发电工程的设计，ISBN0-442-22195-94 Eppler，R.，翼型设计和数据，纽约，NY，施普林格出版社，1990年，562页。5 Glauert，H.“飞机螺旋桨，”从息。 L，空气动力学原理，编辑。 W. F.杜兰德，柏林：施普林格出版社，1935年。6 米歇尔等人，“稳定计算和转换标准或三维流”层流湍流过渡，新西伯利亚，苏联，7月9-13日，1984年，第455-461。7 特威士，B.，“近似计算的层流边界层，”航空季刊，卷。 1，1949，pp.245-280。8 Schepers，等“最终IEA报告的附件XIV场转子空气动力学”。荷兰能源研究基金会，ECN-C-97-0279 M.书珥，等，“湍流模型在旋转和弯曲通道：评估的显示Spalart书珥校正，”AIAA98-0325。10 选用Spalart，PR，应用SA，SR，“空气动力流的一方程湍流模型，”AIAA-92-0439。11 威尔逊，RE和Lissaman的，PBS，“风力机空气动力学的应用，”俄勒冈州立大学，1974。 图1：Realtive的流速在磁盘平面 图2。歪斜唤醒的原理图 图。3的上表面上的过渡线 图。4过渡三期转子的下表面上在6米/秒的线 图。5转换三期转子的下表面8 m / s的线 图。6过渡三期转子的上表面8 m / s的线 图。7混合码预测的瞬时发电 图8。在实验时间18系列的天然来水量风12American Institute of Aeronautics and Astronautics附件2Effects of Transition, Turbulence and Yaw on the Performance of Horizontal Axis Wind TurbinesGuanpeng Xu Ph.D. candidate, AIAA member and Lakshmi N. Sankar Regents professor, Associate Fellow AIAACopyright 2000 American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. and the American Society of Mechanical Engineers. All rights reserved.School of Aerospace EngineeringGeorgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332-0150ABSTRACTRecent improvements to the capabilities of a hybrid Navier-Stokes potential flow methodology for modeling horizontal axis wind turbine (HAWT) configurations are presented. The study focuses on three issues: the effects of turbulence models and transition models, the effects of prescribed wake states on predicted rotor performance, and the effects of non-axial flow (yaw) on power generation. Comparisons with measured data for a rotor tested at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) is presented.INTRODUCTIONA computational research effort is underway at Georgia Tech in the area of horizontal-axis wind-turbine aerodynamics. The research focuses on understanding the flow mechanisms that affect the performance of wind turbines in non-axial and non-uniform inflow. The effort also addresses the development of efficient computational techniques that complement existing combined blade element-momentum theory methods.This work is an extension of a 3-D hybrid Navier-Stokes/potential flow solver that has been developed at Georgia Tech for horizontal axis wind turbines (HAWT). In this approach the three-dimensional unsteady compressible Navier-Stokes equations are solved only in a small region, on a body-fitted grid surrounding the rotor blade. Away from the blades, the potential flow equation is solved. The vorticity shed from the blades is modeled as vortex filaments once the vorticity leaves the Navier-Stokes region. These filaments are freely convected by the local flow. Since the costly Navier-Stokes calculations are done only in regions close to the wind turbine blades, and because much of the vorticity is tracked using Lagrangean techniques, this method is an order of magnitude more efficient than Navier-Stokes methods. The basic hybrid Navier-Stokes potential flow methodology and its application to HAWT under axial-flow conditions are documented in AIAA-99-0042 (Xu and Sankar, 1999). SCOPE OF THE PRESENT STUDYThis paper describes recent enhancements to the flow solver, and applications to configurations of interest. The enhancements focused on the following three areas: transition and turbulence modeling, physically consistent wake modeling, and modeling of yaw effects. These three areas are briefly discussed below.Transition and Turbulence Modeling Issues:Studies were done to assess the effects of two turbulence models and two transition models on the predicted performance. A one-equation Spalart-Allmaras turbulence model (Shur et al. 1998) and the baseline zero-equation Baldwin-Lomax turbulence model were studied. As a consequence of the low relative velocities and small chord lengths encountered in HAWT systems, a significant portion of the boundary layer over the blade can be laminar. The location of the transition line affects the profile power consumed by the rotor, and can impact the power generation. To predict the transition position, two existing transition models, one by Eppler, and a second based on Michels criterion, were used. The Eppler model is used in many NREL sponsored design codes, and is an obvious first candidate for transition prediction. Michels criterion (Michel 1984) is developed based on measurements in two-dimensional, incompressible flow. These models are used in many aircraft industry boundary layer codes, such as those developed by Tuncer Cebeci (1989).Wake Geometry Modeling:The prescribed wake model in the hybrid Navier-Stokes/Potential flow analysis has been modified to properly reflect the states that a rotor can assume, as the wind speed changes. It is based on the theory and phenomenology of rotor states, which was presented by Glauert (1937) and was extended by Wilson and Lissaman (1972) to wind rotors.Yaw Effects:Finally, a numerical procedure for modeling skewed wind (yaw) conditions has been developed. As in axial flow simulations, the yaw calculations only need to model the aerodynamics of a single blade. Other blades will experience the same load and flow pattern 1/N revolutions later, where N is the number of blades. For a three-bladed rotor the computational domain covers a 120 portion of the rotor disk. The present procedure thus retains the efficiency of hybrid method even for yaw conditions. In contrast to the hybrid method, a full Navier-Stokes solver would require the modeling of all blades, significantly increasing the computational effort. MATHEMATICAL AND NUMERICAL FORMULATIONA complete description of the hybrid theory behind the present hybrid approach is given in AIAA-99-0042 (Xu and Sankar, 1999). Sankar and his coworkers have also used the hybrid procedure in several fixed and rotary wing solvers. For this reason, only the turbulence and transition model enhancements, and the extension of the flow solver to yaw conditions are presented here. Spalart-Allmaras Turbulence Model: The first enhancement to the hybrid analysis was the replacement of a simple algebraic eddy viscosity model with a phenomenological one-equation eddy viscosity model called the Spalart-Allmaras model.In this model, the Reynolds stresses are given by (1)Where (2) The eddy viscosity is given by(3)Where,And, Here is the molecular viscosity. The quantity is the working variable and obeys the transport equation.(4)Here S is the magnitude of the vorticity, and(5)Also, d is the distance to the closest wall, and,(6)The function is given by the following expression:(7)Where(8)And(9)For large values of r, fw asymptotically reaches a constant value; therefore, large values of r can be truncated to 10 or so.The Wall boundary condition is = 0. In the freestream = 0 is found to work best, provided numerical errors do not push to negative values near the edge of the boundary layer. Values below are acceptable. The Spalart-Allmaras model has a built-in provision for driving the eddy viscosity to zero upstream of the transition point. This is done by the ft2 function, which goes to unity upstream of the transition point. (10)The trip function is computed as follows. Let dt be the distance from the field point to the trip location, which is on a wall. Let the quantity be the wall vorticity at the trip location, and the difference between the velocity at the field point and that at the trip. Then one can compute an intermediate quantity where is the grid spacing along the wall at the trip location. Finally,(11)The constants are:cb1=0.1355, =2/3, cb2= 0.622, =0.41,=0.3, =2, =7.1, , ,.Further details on the Spalart-Allmaras model are given by Shur et al. (1998).Eppler Transition Prediction Model The second enhancement to the hybrid method was the incorporation of transition line prediction models. Two models, one by Eppler, and the second by Michel have been investigated.The Epplers transition model was implemented in the hybrid Navier-Stokes/Potential flow analysis, in the following manner. Every 10 time steps or so, the surface pressure distribution on the turbine blade is passed to an integral boundary layer analysis, one radial location at a time. Inside the boundary layer analysis, the streamwise growth of laminar boundary layer quantities such as the momentum thickness q, shape factor H, energy thickness d3, and the factor H32= d3/q are computed using Thwaites method (Thwaites, 1949). Transition is predicted to occur if the Reynolds number based on the momentum thickness becomes large so that: (12)Here is the velocity at the edge of boundary layer, and r is a roughness factor. For highly polished surfaces, r may be taken to be zero.This model also predicts that transition has occurred if the laminar boundary layer separates, and forms a separation bubble near the leading edge of the rotor. Chen-Thyson Transition Model and Michels Criterion:In this model, transition is said to occur at the chordwise location where the local Reynolds number based on the momentum thickness is related to the Reynolds number based on length by,(13)In order to avoid an abrupt transition, Chen and Thyson recommend that the eddy viscosity be multiplied by the factor:(14)Upstream of onset point of transition region, is set to zero. The quantity G is computed from:(15)The transition Reynolds number is defined as: (16)And,(17)It should be noted that the quantity Rx is based on the local freestream velocity (the magnitude of the vector sum of wind speed, induced velocity, and the blade velocity due to rotation ). Thus, for wind turbines,(18)The non-dimensional velocity is computed as,(19)Where r is the local radial distance from the hub, R is the tip radius, and is non-dimensional x coordinate. Induced velocity vi is estimated to a first order from the momentum theory. The Reynolds number based on the momentum thickness is also computed using the free-stream velocity, not the boundary layer edge velocity.Methodology for Yaw SimulationA numerical procedure for modeling off axis wind (yaw) conditions has been developed. As in axial flow calculations, the yaw calculations only need to model the aerodynamics of a single blade. Other blades will experience the same load and flow pattern 1/N revolutions later, where N is the number of blades. For a three-bladed rotor the computational domain covers a 120 portion of the rotor disk at a specific running time. The present procedure thus retains the efficiency of the hybrid method even for yaw conditions. In contrast to the hybrid method, a full Navier-Stokes solver would require the modeling of all blades, greatly increasi