极端风况下风力机的动态失速研究

根据IEC标准与GL准则定义极端风速模型对某1.5 MW的水平轴风力机进行数值模拟计算,研究极端风况下风轮转矩、空气动力系数等的变化规律.研究发现,风力机在非稳态工况下运行时,高风速时风轮的转矩与低风速时风轮的转矩变化规律相比有明显差异,叶根到叶尖产生不同程度的失速.在风速增大和减小的不同过程中,非稳态工况下风轮转矩、升力系数和阻力系数随攻角的变化有显著地差别,叶轮的升力系数和阻力系数的最大值均高于稳态下的系数.     

基于升力面混合模型的水平轴风力机性能研究

提出了叶素方法（BEM）与升力面法相结合的一种新型混合模型．将叶片用一平面代替,并在叶片平面上采用压力跳跃边界条件,混合模型将CFD解算器与叶素方法（BEM）联合起来进行迭代求解,首先采用BEM模块根据入流条件和叶片各段面翼型的气动参数确定叶片上的不连续分布压力,然后采用CFD模型根据压力分布计算叶片上的力和转轮的流场尾迹结构等流场参数,CFD计算得到的流场参数再应用到BEM模块进行计算．每次迭代得到的流场参数与上次得到的值进行比较,残差达到要求则迭代过程结束．将该混合模型用于求解NREL第6期风力机出力性能,并与试验结果对比,得到了满意的效果．     

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.     

基于小波分解的DIF-RBFNN超短期风速组合预测方法

提出了一种基于小波分解(wavelet-decomposition)的数据输入格式-径向基神经网络(data input format-radial basis functional neural network)超短期风速组合预测模型.该模型首先将风速时间序列数据进行小波分解,减缓风速时间序列的波动性,然后将分解后的低频、高频部分分别建立数据输入格式(风速输入矩阵),并通过径向基神经网络模型进行预测,最后通过自适应叠加得到最终预测结果.结合宁夏某风场实测数据,将该预测模型和其他三种预测模型的仿真实验结果与实测值进行对比,表明该组合预测模型具有较高的预测精度.     

不同雷诺数风沙来流下粒径对S809翼型性能的影响

以风力机专用翼型S809为对象,采用数值模拟的方法研究不同雷诺数风沙来流下粒径对翼型性能的影响.结果表明:0.5μm颗粒绕流时紧贴翼型壁面运动,随着颗粒直径的增大,其运动轨迹逐渐偏离吸力面,且直径越大,偏移距离越远.当颗粒直径为10～50μm时,颗粒绕过前缘后开始偏离吸力面,大于50μm时,其绕流作用减弱,出现直接撞击吸力面的现象;雷诺数越大,近前缘驻点处撞击壁面的颗粒直径越小,且小攻角下撞击壁面的颗粒直径较小;各雷诺数下,50μm颗粒对翼型气动性能的影响最大;雷诺数为2×10~5时,5、50μm颗粒对气相湍动能有抑制作用,50μm颗粒的抑制作用最明显,100μm颗粒会增强气相湍动能.     

风力机翼型的气动模型及数值计算

考虑到不同湍流模型和边界层网格对风力机翼型气动性能有着不同的影响,采用4种边界层网格和4种湍流模型,对DU93-W-210翼型的气动性能进行数值计算,将计算结果与实验值进行比较.研究结果表明:在合适的边界层网格下,DES模型的计算结果最接近实验值,而且该模型对翼型尾流中的旋涡有很强的捕捉能力.     

旋转效应对风力机叶片升力性能影响的研究

采用商业软件FLUEN6．2对NREL风力机就8m／s-15m／s风速范围进行了数值计算,对由于旋转导致叶片升力增大现象进行了分析,并将计算结果与NASA风洞试验结果进行了对比．计算结果表明风速〈10m／s时,叶片上的压力分布与试验结果吻合较好,只有r／R=0．47段有较大偏差,当风速〉10m／s时,二者的偏差也随之增大,但差别不是很大,除叶片根部区域以及偶尔在r／R=0．47区域二者存在差别外二者吻合较好．从计算得到的流线图可以看出,在叶片吸力面上有较大的分离和横向流动区域,可以证实由于旋转效应,在r／R=0．30和r／R=0．47的2个区域存在升力增大和失速延迟现象．     

风沙条件下颗粒对翼型流动分离的影响

运用延迟脱体涡模拟(delayed detached eddy simulation,DDES)技术对NREL S809三维翼型在洁净空气环境中和在不同直径颗粒环境下进行了数值模拟,由此预测了风沙环境下颗粒对翼型绕流分离的影响.研究结果表明:当攻角为8°时,DDES捕捉到了翼型吸力面的涡脱落现象,并且颗粒的加入显著地改变了翼型吸力面的涡脱规律,使得尾涡范围扩大、耗散更快,然而随着颗粒直径的增大,尾涡也逐渐恢复到接近洁净空气时的状态;当攻角较小(6°)时,翼型表面没有发生流动分离,颗粒的加入对流场的影响很小;当攻角较大(12°)时,颗粒对翼型绕流的影响也很小;不同攻角下颗粒对翼型升力系数有不同程度的影响.分析不同攻角下颗粒对翼型表面流动分离的影响规律表明:S809翼型绕流情况受颗粒影响最严重的攻角在7°~10°.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

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.