风力机气动特性的浸入边界法模拟1)

李燕玲 胡进 周锟

(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉430081)

据统计[1]，全球可再生能源(风能，太阳能，以及生物质能等)于2019年占据全部一次能源的5%，并且实现了12.1%年度增长。其中，风能占全部可再生能源的51%，并且以30%的年度速度增长。而中国是可再生能源增长速度最快的国家。风力机是将自然界的风能转换成机械能或电能的装置。其重要工作部件是叶片，决定了风能转换的效率。因此，提高叶片的气动性能是研发风力机的基础与关键，也是难点之一。

风力机也隶属于叶轮机械。叶轮机叶片气动性能研究主要包括理论研究、数值模拟和风洞实验。理论研究发展较早[2-3]，如常用的Betz理论、叶素理论、动量理论以及叶素−动量理论等发展相对成熟。然而理论研究的计算模型、求解条件都比较复杂，并且实际工作环境中存在许多不可预测因素，通常需要对模型简化以得到相关解[4-5]。风洞试验虽然能够准确地控制实验条件，受气候条件影响小，但需要花费大量的时间和资金。随着研究的深入和计算机技术的发展，越来越多的研究人员倾向用数值模拟方法对旋转叶片流场特性进行研究分析。而当前的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法，可分为以下几类。(1)多重旋转坐标系方法[6-7]：在叶片周围使用旋转坐标系，设置旋转域和叶片转速相同，模拟过程中旋转域和叶片之间不发生网格的相对运动，将非定常问题转化为定常问题，可大幅节省模拟计算的时间，但计算精度不是非常高。……