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风能作为一种重要的可再生能源,越来越受到人们的重视。风力机的运行条件决定了其在地址的选择上往往位于海边或者山区等一些暴露的地形,我国西北地区作为中国陆上风电的重要组成部分,该地区风沙天气频繁,风力机叶片将不可避免地遭受到风沙的侵蚀,严重威胁着风力机的使用寿命和风轮效率。 为了深入了解风沙对于风力机叶片的磨损机理,本文从外场风力机翼型入手,基于欧拉-拉格朗日多相流模型,开展关于风沙环境下风力机翼型的磨损研究,研究沙粒直径、沙尘浓度对翼型磨损规律的影响,提出了关于风力机翼型磨损的St数临界范围;通过对攻角、翼型相对厚度、翼型系列以及来流风速对St数临界范围的影响研究,验证了St数临界范围的存在,为风力机叶片的设计和运行维护提供了理论支撑。得出如下结论: 1.沙粒直径和沙尘浓度是影响风力机翼型磨损的重要因素。当沙尘浓度一定时,沙粒直径较小,翼型没有磨损,当沙粒直径较大时,风力机翼型发生磨损,随着沙粒直径的不断增大,翼型的最大磨损率的总体趋势为先增大后减小;沙尘浓度为5000μg/m3时,最先对翼型造成磨损的沙粒直径位于3μm和4μm之间,提出了关于翼型磨损的St数临界范围为[0.007,0.015];沙尘浓度发生变化,随着沙粒直径的增大,翼型的最大磨损率的趋势不变,沙尘浓度越大,翼型的最大磨损率越大。 2.斯托克斯数对于风力机叶片的磨损研究具有举足轻重的意义。关于翼型的St数临界范围,在不同攻角和翼型相对厚度下,翼型磨损的St数临界范围均未发生改变,与攻角和相对厚度无关,证明翼型磨损的St数临界范围是正确的;DU系列翼型关于翼型磨损的St数临界范围依旧为[0.007,0.015],翼型磨损的St数临界范围可以推广至任意风力机翼型。 3.攻角对于风力机翼型的磨损主要在于磨损区域的变化。当来流攻角为0°时,翼型发生磨损时,随着沙粒直径的增大,翼型的磨损区域从翼型前缘的部分区域逐步向翼型压力面和吸力面两个方向发展,主要集中于翼型的前缘;当来流攻角为5°,随着沙粒直径的增大,翼型的磨损区域从翼型前缘的部分区域逐步向翼型压力面和吸力面两个方向发展,压力面的磨损区域增长较吸力面更快;当来流攻角为9.47°和15°时,翼型的磨损都是从翼型前缘的部分区域最终发展为整个翼型前缘和压力面上;攻角的不断变化,翼型磨损最严重的区域始终位于翼型前缘滞止点的两侧,翼型最大磨损率的总体变化趋势均为先增大后减小。 4.来流风速的变化对于风力机翼型的磨损影响很大。来流风速的增大能够让风力机的最大磨损率发生量级的变化,当沙粒直径可以对翼型造成磨损时,风速越大,翼型的最大磨损率越大,翼型最大磨损率的变化速率也越快;风速的改变使得最先对翼型造成磨损的沙粒直径发生改变,翼型磨损的St数临界范围发生细微变化,为[0.007,0.011]。