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.     

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;...     

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.     

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。     

高速湍流风下漂浮式风力机系泊失效动态响应研究

以Barge平台5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论、势流理论及有限元法建立平台气动−水动−系泊动力学模型,考虑风浪同向入射的最恶劣情况下的系泊失效,此时漂浮式风力机承受风浪载荷最大,系泊最易因疲劳及冲击载荷发生失效,对比分析高速湍流风与稳态风作用下不同位置系泊失效前后平台动态响应及系泊张力。结果表明,迎风浪侧系泊失效对多个自由度响应有显著影响,背风浪侧系泊失效主要影响纵荡、纵摇和艏摇响应,在高速湍流风作用下,平台瞬态响应加剧,横荡方向的漂移距离增加,纵荡波动幅值提高,迎风浪侧系泊张力最大值及平均值明显增大,且越靠近迎风浪侧系泊平均张力越大。因此,出于安全性考虑,平台系泊设计应考虑高速湍流风的影响。     

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.     

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.     

北京城区强风湍流度的统计分析

对北京气象塔2005—2007年强风湍流数据进行了统计分析,得到湍流度的变化规律.对顺风向、横风向及竖向的湍流度进行了拟合,并与日本风荷载规范的顺风向湍流度剖面做了对比分析.结果表明:在47 m高度处,湍流度随平均风速呈现先减后增的变化规律,并且顺风向、横风向、竖向的变化规律保持一致;实测湍流度之间的线性相关性非常明显,与Solari和Piccardo经验公式存在一定的差别;顺风向湍流度的实测值与日本规范相比在低空段差距较大,在高空段几乎接近.     

上海大学低湍流度低速风洞及气动设计

通过对国内外现有低湍流风洞进行调研和分析,上海大学力学所建造了一座低湍流度低速风洞 (以下简称SIAMM400).该风洞具有低湍流度、可变湍流度、低噪声等几个特色.在风洞的设计 过程中,对其主要部件(包括斜流式风机、稳定段、收缩段、试验段等)进行详细的气动计算,给出了设计依据.风洞建成后,结合实验室内先进的测量手段,除了能满足模型的测压、测速、流态观测等教学实验外,还可以利用该风洞从事航空航天、桥梁建筑、环境污染、汽车等工业空气动力学研究工作.     

一种H型垂直轴风力机翼型的深度失速研究

以自主研发的H型垂直轴风力机的翼型为研究对象,分别采用URANS、LES和DES三种不同的湍流模型,在Fluent中进行2.5 D的非定常计算,对比研究该翼型在发生深度失速时的升阻性能以及翼型周围流场的分布.研究结果表明:该翼型的静态失速攻角为30°,相比原模型的失速攻角23°有明显的提高;在翼型的攻角小于静态失速攻角时,三种湍流模型模拟计算的升力和阻力的性能相差不多,且和原模型的试验值比较接近;在翼型发生深度失速后,DES湍流模型的模拟结果不仅具有一定的可靠性,而且能够捕捉到翼型周围存在的涡流状况.     

鹦鹉螺等角螺线型风力机数值模拟及建筑扰流分析

为了提高风力机组的整体性能,解决风力机在实际运行中受建筑物影响的问题,利用仿真分析软件Fluent对不同叶片数的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机进行气动性能研究,建立建筑物与风力机组排布模型,分析建筑物扰流特性,对比扰流环境对风力机组转矩性能的影响。结果表明：3个叶片风力机的整体性能更优;建筑物下游出现紊流区域,切向速度明显增加,其附近的新型鹦鹉螺等角螺线型风力机组转矩性能明显提升,验证了建筑物附近安装鹦鹉螺等角螺线型风力机组的可行性。所提风力机组排布方式可有效提升风力机性能,为风力机结构优化设计和建筑物附近风力机排布提供参考。     

小型水平轴风力机特征风速的确定与气动特性的实验研究

应用WASP软件,在认为风速服从两参数Weibull分布前提下,对内蒙古4个地区的风资源进行分析,推导出特征风速的计算公式,计算内蒙古4个地区的切入风速和额定风速;然后从低成本角度出发,优化风力机的特征风速,缩短风轮直径,降低制造工艺难度,来优化设计风力机;最后通过风力机气动实验分析和风力机单位面积发电量模拟计算进行了对比验证。结果表明:采用特征风速优化后设计的新翼型风力机输出功率得到提高,并且在实际风场中比传统翼型风力机单位面积发电量平均提高了28.0%.     

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。     

典型风力机翼型结冰特性分析

针对风力机叶片的结冰会严重影响风电机组的功率输出、危害风电机组的安全运行的情况,采用计算流体力学方法研究了典型的风力机翼型的结冰特性。首先,对攻角分别为0°,4°,8°的NACA0012翼型水滴撞击特性进行了计算,计算结果与文献实验结果吻合良好,表明了计算方法的正确性。在此基础上,对不同风速和不同温度下的典型风力机叶片表面的覆冰进行了模拟研究,得到了水收集系数和结冰厚度随温度和速度的变化趋势。结果表明:风速增加导致叶片表面结冰厚度增加,结冰附着面积增加;温度降低导致叶片表面结冰厚度增加;S801翼型的抗冰效果明显大于S802翼型的抗冰效果。研究结果有利于在低温环境中合理选择翼型,为降低叶片结冰危害程度提供参考。     

风速梯度对风力机设计影响的理论分析

根据风速指数规律分布,采用三种计算过程,对风轮扫掠面积上的真实风功率做了定量计算.数值积分计算结果表明,在四类廓线指数、七种塔架高度情况下,风速梯度对气动设计影响甚微,采用风轮中心风速做为单一的设计风速是切实可行的.     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

垂直轴风力机叶片与圆柱形塔架相互干涉的数值模拟

为了研究垂直轴风力机叶片与中心圆柱形塔架之间的相互干涉,以Sandia型达里厄风力机为研究对象,建立二维模型。基于Spalart-Allmaras湍流模型,对三叶片Sandia型达里厄风力机在四个不同位置,进行了多组工况的数值模拟。研究分析了叶片与圆形塔架相互干涉的二维物理特征、叶片吸力面负压面积大小的变化、叶片表面所受压力规律性的变化与影响圆柱塔架的升力和阻力系数的原因。研究结果对于揭示垂直轴风力机风轮尾迹的物理机理,优化风力机结构,增加风力机的气动弹性稳定性和减少噪声辐射有重要的理论价值。