水平轴风力机三维尾流场的实验研究

以100W水平轴风力机为研究对象,利用三维超声波风速仪在风轮下游进行尾迹流场的速度测量.采用超声波时差法,获得风轮下游的三维尾流场信息.实验结果表明:风轮下游尾迹区内的流动存在明显的三维特性.由于风轮旋转和来流衰减,使得风力机尾迹区轴向速度存在严重的亏损,且尾迹区轴向速度亏损随着风轮下游轴向距离的增大逐渐减弱.但由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心径向较远处出现高速度区域.径向速度和切向速度在3倍风轮直径截面处最大,随着轴向距离的增大逐渐减小,且径向速度和切向速度的波动频率随着径向距离的增大逐渐减小.尾流场的湍流强度在风轮旋转半径内高于半径外,随着轴向距离的增大,湍流度先增大后减小,在远尾流区与大气来流逐渐融合,且流动逐渐趋于稳定,在8倍风轮直径位置处适合布置下游风力机.     

风力机尾流场及相互作用的实验研究

运用压差式精密风速仪对风力机尾流场及相互作用进行测量研究。对于单台风力机,测量其后不同距离处的尾流场轴向速度;对于两台风力机,测量下游风力机(第二台风力机)后不同距离处的尾流场轴向速度,由于下游风力机置于上游风力机(第一台风力机)尾流场中,尾流在向下扩展的过程中相互叠加影响,使得下游风力机尾流场变化更复杂。试验结果表明:由于风轮旋转和来流衰减,使得单台风力机后尾迹区存在速度亏损,尾迹区速度亏损随着风轮下游轴向距离的增加逐渐减弱,且轴向速度和轴向诱导速度在水平方向上表现出较强的对称性。由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心较远处出现高速度区域。当下游风力机置于上游风力机尾流场时,下游风力机的尾迹区内速度亏损更严重,由于上游风力机尾流的不稳定延伸,尾流叠加,轴向速度和轴向诱导速度出现明显的波动现象,且随着两风力机距离及下游风力机后轴向距离的增加,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减弱。     

错列风力机尾流的实验研究

为了更好地研究水平轴风力机的尾流结构及其对下游风力机出力性能的影响,将两台风力机错列布置,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对风力机的尾流场进行了测量.通过比较单风力机和两台错列布置风力机的速度、压力和诱导速度,分析了风力机之间的尾流干扰问题.结果表明,上游风力机的尾流会使下游风力机的来流风速小于设计风速.两台风力机尾流重叠区的湍流度增加,尾流干扰增强,随着测量间距的增大,轴向速度先减小后增大.下游风力机5倍风轮直径处,尾流场速度基本恢复到主流速度.     

水平轴风力机尾流场的特性分析

以100 W水平轴风力机为研究对象,当来流风速为12.5m/s时,建立数值计算模型和实验模型,通过模拟计算与实验测量,得到风轮旋转平面后不同间距断面处的速度和压强分布情况.将模拟值与实验值进行对比研究,结果表明:风轮下游3倍风轮直径处的实验值与模拟值拟合较好,随着风轮后轴向距离的增大,实验值与模拟值存在一定的差异.从速度云图可以看出,水平轴风力机的尾流场从风轮旋转平面产生,在叶片尾缘处脱落且逐渐膨胀,在来流风速的影响下逐渐向下游扩散,且轴向速度亏损值随着轴向距离的增大而逐渐减小,尾迹区域渐渐收缩,最终与大气来流逐渐融合.     

串列风力机尾流场的实验研究

为了合理的布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场的效率,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据.利用轴流式风机提供来流风速,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对两台串列风力机的尾流场进行实验研究,获得尾流区域的速度场、压力场及诱导速度场的分布规律.结果表明,上风向风力机的尾流对下风向风力机的功率有很大的影响,随着串列间距的增大,影响逐渐减小.对于无下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着半径的增大而逐渐减小.而在不同测量断面处,随着测量间距的增大,速度也逐渐减小.对于有下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增大先增大后逐渐减小.对于不同测量断面,随着测量间距和串列间距的增大,在同一角度的速度的变化趋势逐渐减缓.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增大呈下降趋势.而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

风力机错列布置的尾流效应

为在有限土地资源内提高风电场发电效率,减少上风机对下风机尾流效应影响,通过利用Windcube V2多普勒测风仪方法研究了两台风机错列布置状态下风机尾流场变化,比较无尾流状态和有尾流状态下风机的速度场和分析风机之间的尾流影响。结果表明:上风机尾流效应对下风机第二象限区影响最大,轴向速度出现先减小后增加再减小再增加过程;第一象限区出现先减小后增加过程。径向和切向速度幅值和频率出现先增加后减小,径向速度幅值和频率5倍风轮直径截面处最大,3倍风轮直径最小,切向速度幅值和频率5倍风轮直径截面处最大,8倍风轮直径最小。上风机对下风机尾流叠加形成复杂的湍流并促使尾流内外流场融合,造成不同的轴向速度值。因此,在实际工作中,应在了解当地的风场特征的基础上,充分考虑风机的排列阵式。     

风力机错列布置尾流效应

为在有限土地资源内提高风电场发电效率,减少上风机对下风机尾流效应影响,通过利用Windcube V2多普勒测风仪方法研究了两台风机错列布置状态下风机尾流场变化,比较无尾流状态和有尾流状态下风机的速度场和分析风机之间的尾流影响。结果表明：上风机尾流效应对下风机第二象限区影响最大,轴向速度出现先减小后增加在减小在增加过程;第一象限区出现先减小后增加过程。径向和切向速度幅值和频率出现先增加后减小,径向速度幅值和频率5D截面处最大,3D最小,切向速度幅值和频率5D截面处最大,8D最小。可见上风机对下风机尾流叠加形成复杂的湍流现象,湍流强度促使尾流内外流场融合,从而造成不同速度值的之间的差异。     

致动盘模型在风电场上的应用

为了提高风力机的利用效率,优化风电场布局,利用实测以及基于致动盘的数值模拟方法,对风电场中多台串列布置的风力机的尾流进行研究,获得尾流的速度场、压力场及各台风力机功率的分布规律.结果表明:致动盘模型能很好地模拟上下游风力机之间功率的损失,但获得的功率小于风电场的实际数据;上下游之间风力机的功率损失达到35%左右,然而随着尾流向下游发展,对下风向风力机功率的影响减弱;风电场排布设计时应避免将风力机串列布置在常年盛行风方向.     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6 m/s到20 m/s的15个工况下原始模型和新模型风力机进行了对比分析,结果表明:在低风速下原始模型和新模型气动性能几乎一样,即新模型对叶片气动性能影响很小,尾流扩散速度也相近;但随着来流风速的增大新模型对风力机气动性能的影响也随之增大,新模型风轮功率比原始模型风轮功率有明显提高,尾流在风轮旋转平面内扩散速度变快,在来流方向传播距离变短.新模型尾流可以减小对下游风力机的影响,提升了风电场风能的利用效率.     

旋涡哨内部流场分析

利用FLUTENT软件对旋涡哨内部流场进行数值模拟,得到旋涡哨内的流场分布特征.结果表明:旋涡哨内部流场变化趋势基本一致,流场分布具有轴对称性,流动轨迹近似为螺旋,从中心沿径向方向压力逐渐增大,合速度先增大后减小.随着腔体直径的增加,在腔体内合速度、切向速度和总压值都减小,而在出口管内合速度、径向速度和总压值增大.而在整个旋涡哨内部轴向和切向速度皆不随腔体直径的增加而变化.     

下击暴流对风力机尾流及转矩特性的影响研究

以美国国家可再生能源实验室(NREL) 5 MW机组为研究对象,采用大涡模拟结合致动线模型(LES-ALM)方法,分析下击暴流垂直风剪切条件下风力机尾流的速度特性、湍流特性及转矩特性.结果表明:相比于均匀来流和B类风场风剪切,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流轴向速度亏损最大,且尾流轴向恢复最慢,尾流非对称特性更明显;随着尾流向下游发展,三种来流工况下风力机尾流湍流强度的变化均为先增大后减小,且湍流强度最大值(在11D附近,D为风轮直径)均在10%～12%之间;在尾流湍流强度衰减过程中,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流湍流强度衰减更快;另外,与均匀来流和B类风场风剪切相比,下击暴流垂直风剪切条件下风力机低速轴转矩均值降低,但其标准差却明显增加,说明低速轴转矩波动幅度增加,进而引起风力机输出功率的波动增大,输出电能质量降低.     

水平轴风力机尾流的现场实测及初步分析

针对一台33kW水平轴风力机,开展了尾流区速度的现场测量实验,得到了风力机尾流区1倍风轮直径断面上部分测点的速度分布,分析了尾流速度的时域和湍流谱特性.研究发现:尾流区1倍风轮直径处,轴向速度亏损较大,测点处的轴向速度亏损率在35.1%–54.17%.铅垂方向速度变化较小,水平方向速度较来流速度的水平分量略有增大,反映出了尾流的膨胀特征.测点处的湍流动能表现出一定的周期性变化规律,尾涡的通过频率与风轮的旋转频率相近.同时,测点处3个方向湍流速度分量的功率谱在低频段均表现出斜率为–1的特性.     

水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化

基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33 kW水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程.研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,速度曲线具有明显的周期性,反映出脱落涡通过频率为1.80 Hz,其为风轮旋转频率的两倍.风轮后1倍直径测点处的叶尖涡所在的频率为0.78~25.00 Hz,形成的涡管通过该测点的时间约为0.32 s,涡管直径约为1.83 m;3倍直径测点处出现了0.15~0.78 Hz的低频率湍流结构;7倍直径测点处叶尖涡的频率为1.56~25.00 Hz,相比7倍直径测点之前的叶尖涡频率范围有大幅减小;8倍直径测点处,与近尾流区域相似的叶尖涡的涡管形状消失;9倍直径测点处叶尖涡基本完全耗散.     

风电场尾流干涉效应及布局优化研究

为探寻风电场尾流干涉效应及定量预报不同风电场布局下整体输出效能,从工程中预报单台风电机尾流效应使用最普遍的Jensen模型出发,基于风电场布局中上游风力机对下游风力机的遮蔽效应及遮蔽模式,构建尾流干涉效应数学模型,编制风电场尾流干涉效应预报程序,研究齐位排列方式下风电场整体输出效能随风电场规模、行列间距及风向角的变化规律,以及错位排列方式下风电场整体输出效能随错位间距和风向角的变化规律。结果表明：不同风电场规模下整体输出效能均随着行列间距的增大而增大,不同行列间距下整体输出效能均随着风电场规模的增大而减小;不同错位间距和风向角下风电场整体输出效能差异明显,需根据风电场所在地风向来合理安排风力机行列间距,以最大化整体输出效能。研究可为工程中预报任意风电场布局下风电机组尾流干涉效应及合理化设计风电场布局提供技术支撑。     

H型垂直轴风力机远场尾流特性研究

基于非定常CFD数值模拟方法,采用FLUENT软件对H型垂直轴风力机的流场进行模拟,并分析尖速比和叶片数对远场尾流特性的影响规律。结果表明:风轮在运转过程中的空气流动近似于圆柱绕流,绕流和旋转对尾流两侧风速具有增大作用,增大的风速不断汇入到尾流中,有助于尾流风速恢复;随着尖速比的增大或叶片数的增多,远场尾流形成卡门涡街,尾流风速呈周期性上下波动分布;在风电场中风力机组的排布应根据不同的尾流特性,采取不同的布置方案。     

风力机尾流场的实验研究

为了获得风力机的尾流场信息,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据,利用轴流式风机提供来流风速,使用皮托管和手持风速仪对无风力机情况和单个小型风力机的尾流场进行测量,获得尾流区域的速度场、压力场以及诱导速度场的分布规律。结果表明:对于无风力机的情况,在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小;对于有风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小;对于不同测量断面,随着测量间距的增加,在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小。通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增加呈下降趋势,而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉。     

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.     

串列双方柱气动干扰机理的数模模拟研究

采用非定常雷诺平均法和SST k-ω湍流模型,在雷诺数Re=2.2×104时对五种间距串列双方柱的绕流场进行了数值模拟。结果表明:随着间距比的增大,串列方柱的气动性能会发生剧烈变化;其绕流场会经历三种不同流态:间距比为S/B=1.2时,下游方柱完全被上游方柱的分离剪切层包裹,流场呈现单一钝体流态;S/B=1.5,2时,在上游方柱上分离的剪切层会再附在下游方柱侧面,流场呈现剪切层再附流态;并在两个方柱之间形成强烈的回流区;S/B=3,4时,两个方柱的尾流中都会形成规则的涡街,流场呈现双涡脱流态。此时上游方柱的旋涡会与下游方柱发生复杂的相互作用,造成下游方柱受到很大的脉动风压作用。     

串列双方柱气动性能的流场机理研究

采用非定常雷诺平均法和SST k-ω湍流模型,在雷诺数Re=2.2×104时对五种间距串列双方柱的绕流场进行了数值模拟。结果表明：随着间距比的增大,串列方柱的气动性能会发生剧烈变化,其绕流场会经历三种不同流态：间距比为S/B=1.2时,下游方柱完全被上游方柱的分离剪切层包裹,流场呈现单一钝体流态;S/B=1.5和2时,在上游方柱上分离的剪切层会再附在下游方柱侧面,流场呈现剪切层再附流态,并在两个方柱之间形成强烈的回流区;S/B=3和4时,两个方柱的尾流中都会形成规则的涡街,流场呈现双涡脱流态,此时上游方柱的旋涡会与下游方柱发生复杂的相互作用,造成下游方柱受到很大的脉动风压作用。     

串列方形钝体构筑物绕流的数值分析

采用二阶CBS有限元法对雷诺数Re=100时不同间距的串列方形钝体构筑物的绕流进行数值研究,分析了间距比s（构筑物中心距离与构筑物宽度d之比）对流场的影响,以及平均阻力系数、阻力系数均方根、升力系数均方根、斯特劳哈尔数和压力系数随间距比变化的情况. 结果表明：间距比对串列方形钝体构筑物的流场影响显著;当2个方形构筑物为串列情形时,可有效降低流体阻力;当临界间距比在4.50~4.75时,其各项力学性能指标将发生跳跃;由于上游构筑物尾流的影响,下游构筑物的升力系数均方根总大于上游构筑物而表现出更强的脉动性,且2个构筑物表面压力分布的差异显著.