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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

一种水平轴风力机尾流模型及其计算方法

基于现有的尾流模式,提出一种新的尾流计算方法.新的尾流模式将尾流分为近涡区和远涡区,在近涡区,尾涡在选定的扇形截面上解析求出,在其他处通过非线性插值求得.在尾涡中选取有限的离散点数计算诱导速度,减少了计算量,根据流体连续性方程确定尾涡的扩散半径,避免了梢涡半径的不收敛性.通过具体的风力机算例,与刚性尾流模型相比,该方法计算的轴向诱导因子其分布趋势更加合理,验证了该方法的正确性和实用性,为水平轴风力机风轮气动设计和性能计算提供一种有效的尾流模型计算方法.     

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.     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.     

湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流,湍流来流时风力机尾流速度的最大亏损率减小,但湍流度大小对尾流速度最大亏损率影响较小;尾流半径增长速率在风轮平面至风轮后两倍直径范围内逐渐减小,在两倍直径之后基本不变;湍流会使尾流膨胀程度增强,且湍流度越大,膨胀程度越强;在11 m/s风速条件下,湍流度增大导致风轮转矩时均值减小,波动幅度增大,风轮转矩在高频与低频部分的能量升高,并且低频部分能量升高得更快.     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

5kW垂直轴风力机的气动性能分析

为了改善垂直轴风力机风轮流场的气动性能,分别利用双盘多流管模型及2维N-S方程的数值模拟方法对5kW垂直轴风力机的气动性能进行预测.两种方法得出的功率系数随叶尖速比变化相差不大,两种方法均可行.前者得出风轮上风区域和下风区域的流动阻滞效应随转子实度的增大而增强,且在下风区域表现的更为明显;后者得出在叶尖速比较低的情况下,风力机叶片周围有明显的涡脱落现象,在同一个叶尖速比下叶片转动到不同位置时风力机尾流速度场变化不大.     

风沙环境下水平轴风力机的转矩特性

在保证外场实验风力机风轮几何相似、运动相似的条件下,结合RNGk-ε湍流模型和DPM模型求解三维不可压缩雷诺平均N-S方程,对外场实验机组的缩比模型进行数值计算,采用虚拟风洞的方法研究了风沙环境下模型风轮的转矩特性,得到在某一风速时,模型风轮的转矩随沙尘颗粒粒径和体积分数变化的规律,并通过与洁净空气时风轮的转矩进行对比分析,研究风沙流对风力机输出转矩的影响规律.研究结果表明,风沙环境会引起风轮转矩的增加,风轮转矩随沙尘体积分数的增大先增大后减小,随沙尘颗粒直径的增大,先增大后减小,最后趋于平稳,沙尘颗粒直径对风轮转矩的影响存在一个敏感区域,沙尘体积分数越大,该敏感区域越大;风沙流对风力机叶片的流动状态影响较小,当绕翼型的流动为湍流流动时,沙尘颗粒的存在会加剧流动的紊乱性,当为层流流动时,沙尘颗粒对流动的扰动较小,反映出较好的跟随性.     

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.     

基于流固耦合的风力机预应力模态分析

以某1.5 MW水平轴风力机风轮为研究对象,考虑风轮旋转气动力和结构的流固耦合效应,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出不同风速时风轮旋转气动力与结构流固耦合作用下的压力.将压力作为输入载荷对风轮结构进行静力学分析,进而转换为预应力条件下的模态分析.结果表明:风力机运行时,叶尖处的变形最大,叶片上距离叶根3/4段处和叶根部有明显的应力集中;最大应力在额定风速以前随着风速的增大而增大,额定风速以后变化较小;叶片最大变形量随着风速的增大而增大;旋转效应使得风轮各阶模态所对应的频率增大.     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

旋转槽道中Taylor-G6rtler涡对雷诺应力输运的影响

我们通过直接数值模拟研究了旋转槽道湍流中Taylor-Gortler涡对雷诺应力输运的作用．采用流向平均的方法检测Taylor-Gortler涡，并定义了TG脉动．我们发现，和无旋转湍流槽道不同，旋转槽道湍流的吸力面湍流扩散对雷诺应力的输运是主要的；其中Taylor—Gortler涡在湍流扩散中起重要作用．我们关注中低旋转数的旋转槽道流动，并阐明旋转数对雷诺应力输运的影响．     

分布式能源用垂直轴风力机气动特性的 对比分析

为便于分析现有不同结构风力机性能特点,建立3种结构垂直轴风力机模型.基于ANSYS Workbench中流场计算模块CFX分别对3种模型进行流场仿真分析,从不同的方面对比了3种风力机模型的流场特性差异.对3种机型的受力分析,得出阻力与升力随叶尖速比变化的对比关系以及风轮放置形式对升力与阻力的影响.通过风力机参数研究,得出3种机型的风能利用系数与转矩系数曲线,并对3种机型的这2种参数曲线做了对比.此外,还分析和对比了3种风力机不同位置处的相对流速和压强分布规律,提出了Jensen尾流模型的压强表述.总之,该研究成果能为分布式能源用垂直轴风力机的优化设计和对比提供了借鉴和参考.     

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。     

考虑耦合效应的水平轴风力机有限元建模与变形行为分析

为实现对风力机结构变形的实时求解、分析风力机控制过程对结构的影响,构建了考虑风力机气弹耦合效应的有限元模型.模型充分考虑了风力机诸如主轴倾角、风轮预装锥角以及变桨和偏航机构的结构特点.本文分析了离心软化,应力刚化以及风力机控制过程对风力机结构的影响,并对风力机结构问题的求解方法进行了对比研究.结果表明:应使用LDLt方法求解由风力机塔根与叶尖刚度巨大差异所引起的病态问题;应力刚化效应对风力机叶尖变形量及拍打模态的频率有较大影响;本文模型很好地模拟了风力机受阶跃载荷时的旋转动态非线性变形,并模拟了变桨过程引起的风力机叶片拍打方向的刚度增大.     

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。