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申请/专利权人：兰州交通大学

摘要：本发明公开了一种串列双风力机等离子体尾流主动控制方法，属于风力发电技术领域，以解决应用等离子体流动控制方法改善风力机尾流干扰、实现风力机尾流主动控制的问题。方法包括等离子体气动激励建模；等离子体气动激励模型与流场控制方程松耦合；仿真分析串列布置的水平轴风力机施加激励前，在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性；仿真分析串列布置的水平轴风力机施加激励后，在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性，与不施加激励时的尾流特性进行比较。本发明获得了不同条件下的串列双风力机施加激励后的尾流特性改善情况，其结果为改善风力机尾流干扰、实现风力机尾流主动控制提供了新思路和参考。

主权项：1.一种串列双风力机等离子体尾流主动控制方法，其特征在于：该方法分为以下步骤：S1、等离子体气动激励建模；采用唯象学模型，在不考虑流场对等离子体放电影响的情况下，通过求解泊松方程和电荷密度分布方程，得到空间电势分布和净电荷密度分布情况；S1.1、确定电势Φ；由于空气中性分子弱电离，所以电势Φ分为：外部电场电势φ和等离子体净电荷电势φ，其计算方式分别为： 式中：εr是介质相对介电常数，ρc是等离子体净电荷密度，ε0是空气介电常数；S1.2、建立等离子体中净电荷密度方程；在等离子体内任意点的净电荷密度为：ρcε0＝eni-neε0；式中：e是元电荷，ni和ne是等离子体的离子和电子数密度；由于电荷分布在该电势中遵循玻尔兹曼分布，引入德拜长度λd，可得： 联合式可得等离子体中净电荷密度方程为： S1.3、计算电场强度E；静电场是无旋场，所以电场强度E为： S2、等离子体气动激励模型与流场控制方程松耦合；只考虑等离子体气动激励对流场的影响，将等离子体激励对流场的影响以体积力矢量的方式加入到流场控制方程中；S2.1、建立流场控制方程； 式中：ρ为来流密度，t为时间，u为来流速度，p为来流压强，μ为来流粘性系数，f为体积力源项；S2.2、计算体积力源项；等离子体激励对流场的影响以体积力源项f的方式加入流场控制方程中，实现等离子体激励对流场的影响；体积力f为：f＝ρcE；等离子体激励对流场的影响以体积力源项的方式加入流场控制方程后，通过仿真求解静电场方程、电荷密度方程以及流场控制方程，得到在静态空气中等离子体激励诱导流场的流线，风速大小为1ms，与Suzen在同样条件下的实验结果相同；故该等离子体激励计算模型具有较高的准确性，可以用于等离子体激励对流场的控制；S3、仿真分析串列布置的水平轴风力机施加激励前，在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性；先对风力机尾流仿真方法的准确性进行验证，之后在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下对施加激励前的串列布置的水平轴风力机尾流特性进行仿真分析；S3.1、验证风力机尾流仿真方法的准确性；选取某翼型的参考坐标系为固定坐标系，流场相对于该坐标系流动，确定空气温度、来流速度U、，来流马赫数、雷诺数；对该翼型的流场进行仿真计算，可得到该翼型升力系数CL随攻角α变化的计算结果，在相同条件下，C.L.Ladson通过实验测得数据结果，发现仿真结果与C.L.Ladson的风洞试验结果可视为相同，故该流场仿真方法具有较高的准确性；S3.2、对施加激励前的串列布置的水平轴风力机尾流特性进行仿真分析；继续以上述选取的翼型为对象，D为风力机翼型弦长，翼型间距以串列双风力机前缘为参考；串列双风力机翼型未施加等离子体激励时，对其在不同间距、不同攻角以及不同风速下的尾流流场特性进行仿真分析；不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性包括：串列双风力机尾流场速度分布、涡量分布和湍流强度分布；可以得到风力机施加激励前的瞬时速度云图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的时均速度流场图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的不同流向距离下垂向平均风速廓线、风力机间距3D时施加等离子体激励前的涡量云图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的湍流强度；S4、仿真分析串列布置的水平轴风力机施加激励后，在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性，与不施加激励时的尾流特性进行比较；首先，对串列双风力机施加激励前后的升阻力系数进行对比分析，其次，对施加激励前后的瞬态流场进行对比分析，最后，对不同条件下的施加激励前后的风力机尾流时均速度、涡量分布以及湍流强度进行对比分析；等离子体气动激励施加在风力机翼型流动分离起始点的前缘附近可以取得最好的效果，且顺流向激励对流动分离的控制效果要明显优于逆向激励；由串列双风力机施加激励前尾流仿真结果可知，流动分离点在翼型前缘，因此，将等离子体激励顺风向施加在翼型前缘对风力机尾流进行控制改善；S4.1、将等离子体激励施加在翼型前缘2％处；S4.2、仿真计算串列双风力机翼型升阻力系数在施加激励前后的变化，当间距为3D时，前翼型升阻力系数变化情况如表1所示：表1施加激励前后的阻力系数表 表中可见施加激励后：攻角为10°，风速为10ms和15ms时，升力系数分别增大26.8％和37.4％，阻力系数分别减少25％和38.8％；攻角为15°，风速为10ms和15ms时，升力系数分别增加9.6％和12.4％，阻力系数略微减小；由此可知，等离子体激励可大幅改善翼型的气动特性，实现增升减阻的效果；S4.3、仿真分析串列布置的水平轴风力机施加激励后，在不同流向间距、不同攻角以及不同风速下的尾流特性，与不施加激励时的尾流特性进行比较；与S3.2类似，可以得到风力机施加激励后的瞬时速度云图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的时均速度流场图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的不同流向距离下垂向平均风速廓线、风力机间距3D时施加等离子体激励前的涡量云图、风力机间距3D时施加等离子体激励前的湍流强度；将S3.2得到的结果与上述结果比对，可得出如下结论：等离子体激励对翼型尾流湍流脉动具有显著的抑制作用。

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