随着世界化石能源危机的日益加剧,风能作为众多绿色可再生能源中技术较成熟的一种,得到了快速的发展,所占能源比重日益增加。风轮是风力机用来捕获能量的关键部件,然而,当风力机叶片由于沙粒、雨滴等外界因素发生磨损时,其气动性能会受到很大影响,因此,本文通过对外场风力机叶片的六个截面翼型及风轮进行数值模拟,研究风沙环境中风力机翼型表面的磨损过程,及不同磨损程度对翼型和风轮气动性能的影响。本文以兰州理工大学外场实验风力机的六个截面翼型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和DPM模型求解气固两相流动,并结合磨损模型进行数值模拟,研究风沙环境下风力机翼型表面磨损对其流场和气动性能的影响,及翼型表面磨损的演化过程和机理。进而基于Open FOAM平台,以风力机风轮为研究对象,利用数值模拟得到的磨损翼型气动数据,采用致动线模型耦合大涡模拟的方法,研究了风沙环境下叶片磨损对风力机风轮的功率、速度场及载荷的影响,主要结论如下:(1)风力机运行两年后,各个截面翼型均出现了不同程度的砂眼、小坑和脱层,随着磨损时间的增加,翼型表面不断出现新的砂眼和小坑,翼型前缘脱层区域逐渐产生新的砂眼、小坑和局部脱层,使前缘脱层深度局部增大,4#和5#截面翼型吸力面部分相邻的砂眼和小坑相互联通,形成尺寸更大的小坑或局部脱层,并随着时间的推进,小坑和局部脱层的横向尺寸不断扩大,但吸力面发生磨损的区域基本保持不变。翼型压力面砂眼、小坑和脱层的发展规律与吸力面基本一致,但脱层深度更大,砂眼和小坑数量更多,磨损区域更大。对比叶片六个截面翼型的磨损特性,发现磨损程度从叶根到叶尖逐渐加重。研究各个截面翼型的磨损特性,将翼型磨损过程分为三个阶段:1)翼型表面受到颗粒的不断撞击,产生大小不一的砂眼;2)由于颗粒对砂眼内壁的撞击使砂眼尺寸逐渐增大,形成尺寸更大的小坑;3)由于颗粒对小坑内壁的集中碰撞,使小坑的横向尺寸沿翼型表面不断扩展,发展成为局部脱层。(2)风力机翼型表面发生磨损会对翼型的前缘和尾缘流场产生一定影响,1#和2#截面翼型表面基本未发生磨损,磨损翼型前缘流场及尾缘流场与光滑翼型相比,流动状态基本未发生改变,前缘也未出现流动分离。而3#-6#截面翼型表面磨损严重,随着磨损时间的增加,翼型表面磨损程度加剧,翼型吸力面的流动分离位置沿翼型表面不断向前移动,尾缘分离区不断扩大,前缘由于小坑、脱层的深度较大,气流在吸力面脱层边界后方产生前缘分离泡,之后重新附着在翼型表面流动,并且随着脱层深度的增加,前缘分离泡不断扩大。(3)翼型表面磨损会导致其气动性能显著下降,但磨损到一定程度后,翼型气动性能下降速率减小。随着磨损时间增加,各个截面翼型的压力系数均有所下降,且翼型表面磨损越严重,压力系数下降幅度越大;在翼型表面砂眼、小坑和脱层处压力系数会产生突变,前缘脱层处突变幅度最大。(4)风力机叶片表面磨损使风轮转矩和功率大幅下降,风力机运行五年时,风轮转矩和功率下降可达34%。随着运行时间的增加,风轮捕获风能的能力不断降低,使风轮叶尖速度损失逐渐减小,风轮径向平面和风轮后方的速度逐渐增大。随着磨损程度加剧,叶根挥舞弯矩和摆振弯矩功率谱幅值逐渐下降,叶根挥舞载荷和摆振载荷降低。