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...     

一种风力机专用翼型气动性能的三维数值模拟

为了准确预测风力机专用翼型在大攻角状态下的气动性能,运用脱体涡模拟(detached eddy simulation)方法对瑞典的FFA-W3-241翼型较大攻角范围内的气动性能进行三维数值模拟,对该翼型前缘粗糙状态下的气动性能进行预测.计算结果表明:建立翼型的三维模型,运用DES模拟风力机专用翼型气动性能的方法在线性区有很高的预测精度,在失速发展区的计算精度达到工程实际与研究的要求,在深度失速区有一定的预测精度,可用于定性分析.前缘粗糙度对FFA-W3-241翼型的气动性能有重要影响,前缘粗糙度的增加使FFA-W3-241翼型的最大升力系数下降了27.8%,失速过程趋于缓和;翼型在线性区和深度失速区对前缘粗糙度不敏感,在失速发展区对粗糙度敏感.     

双叉式叶尖结构对风力机流场特性影响的数值模拟

以波音737MAX机翼的双叉式叶尖结构为风力机叶尖改型设计思路,设计出双叉式叶尖结构风力机,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)进行数值计算.结果 表明:双叉式叶尖结构风力机叶片压力差、叶尖线速度小于未改型风力机叶片,但上叉与下叉压力差总和大于未改型风力机叶片,增大了双叉式叶尖结构风力机总输出功率,主要影响因素为叶尖开叉角度.通过风洞实验验证了数值模拟的合理性,实验和数值模拟表明双叉式叶尖结构风力机尾迹轴向速度损失小于未改型风力机.     

加装叶片涡流发生器对变桨距风力机功率的影响

以风力机专用厚翼型DU99-W-405LM为对象,采用CFD方法对洁净翼型段及安装涡流发生器后的翼型段进行数值模拟.研究结果表明:在一定攻角范围内涡流发生器可有效推迟流动分离,提高翼型升力,降低阻力,改善叶片气动性能,并揭示了涡流发生器控制流动分离的机理.通过甘肃西滩风场1.5 MW风机安装涡流发生器前后功率试验数据对比分析,表明在风速7～10 m/s风力机功率增量最大,最大值达到181.42 kW,比安装前功率提高了28.8%,试验数据表明安装涡流发生器改善叶片的气动特性是有效的,可以提高风力机机组发电功率.     

柔性叶片附面层分离对气动性能的影响

为揭示柔性叶片受力后的变形状态对叶片气动性能的影响规律及原因,本文利用Fluent软件,采用RNGκ-ε湍流模型,选取柔性叶片受力变形过程中14个状态下的叶片作为研究对象并设定相同边界条件进行数值模拟计算,得到每组叶片上的压力分布、流场分布情况以及升力系数值;基于翼剖面理论和叶型附面层迁移理论,对比了14组叶片的升力系数值、附面层分离及涡流形成和发展的状态。结果表明:柔性叶片最佳迎角为20°,最佳曲率为0.019;曲率较大的叶片在接近后缘点区域吸力面上易发生附面层分离,会导致升阻比减小,造成能量损失,降低叶片的气动性能。     

风力发电机组叶片的气动特性优化研究

叶片是风力发电机获取风能至关重要的部件,性能优良的叶片能够使机组获得充足的动力从而实现理想的功率输出。对叶片进行空气动力学特性分析．来获取功率、风能利用率最大时,风机叶片的转速、升阻比、风速的最佳值,以此来提高风力机的气动优良性,对风力发电机组性能的提高具有重要的意义。     

叶尖结构变化对风力机噪声源分布特性的影响

为探究由水平轴风力机叶尖结构变化所造成的风力机噪声源分布特性的规律,利用圆盘声阵列系统对不同叶尖结构风力机采用近场声全息技术和远场波束形成技术进行噪声源识别.采集得到运行中的水平轴风力机在额定工况下的噪声信号,分析了噪声源声压级变化情况以及风力机噪声声源位置的分布规律.结果 表明:叶尖结构变化可以有效降低风力机的气动噪声,改变了风力机叶尖噪声的强度和产生位置,在一定程度上降低了叶尖噪声.通过对风力机叶尖结构的优化设计可以在不损害风力机气动性能的同时,实现较好的降噪效果.     

风力机叶片表面覆冰影响因素分析

我国低温高海拔地区的风能资源十分丰富,风力机在该环境下运行时会产生叶片表面覆冰现象,不仅降低风力机的发电效率,严重时会影响结构安全性能.采用Fluent与FENSAP-ICE相结合的方法对风力机叶片表面覆冰问题进行数值模拟分析,明确环境温度、来流速度、水滴等主要环境因素影响下叶片表面覆冰发展规律.结果表明,环境温度从-5℃降低到-20℃的过程中,覆冰质量随温度的降低呈线性增长,增长幅度约为0.74 kg/℃;当温度继续降低时,覆冰质量增长幅度降低为0.228 kg/℃.来流速度、空气中水含量(LWC)与水滴直径(MVD)的增加均使覆冰质量呈线性提高,覆冰质量增长幅度分别约为0.236 kg·s/m、8.529 kg·m³/g、0.512 kg/μm.降低环境温度、增大来流速度和LWC会增加叶片覆冰面积,但增大MVD会使覆冰面积减小.     

腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响

为研究腹板铺层参数对风力机叶片结构性能的影响。以某1.5 MW水平轴风力机叶片为研究对象,基于有限元分析方法,利用ANSYS软件中梁单元模拟腹板铺层,保持叶片前缘、后缘以及梁帽的铺层形式不变,通过改变腹板铺层角度、顺序和不同铺层角度的层数占整个铺层层数的比例,得到多种研究方案,并对不同方案时的叶片进行模态分析。结果表明:腹板±45°铺层较其他铺层角度能够更好的承受剪切载荷;腹板铺层角度应以±45°为主,且±45°铺层占整个铺层的58%左右时叶片结构性能最好;为了减小各层之间的剪切应力,应避免0°铺层和90°铺层连续铺放。     

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.     

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。     

叶片磨短对低压冷却风扇气动性能的影响

工程中常用磨短叶片的方法来确保足够的叶顶间隙,由此对风扇气动性能的影响尚无研究报道。该文通过实验发现,叶片磨短后最大流量和风扇效率均急剧下降。对风扇内湍流场进行了三维数值模拟,结果与实验吻合良好。基于数值计算结果的流场分析表明,叶片磨短后叶顶间隙涡进一步发展,阻塞叶顶流道,使流量锐减,同时降低了叶片顶部区域做功能力。研究指出,叶片磨短相比机壳增大更易造成风扇性能恶化,尤其是流量的下降会使风扇无法正常使用,必须重视。     

Large-scale wind turbine blade design and aerodynamic analysis

Incorporating controlled elitism and dynamic distance crowding strategies, a modified NSGA-II algorithm based on a fast and genetic non-dominated sorting algorithm is developed with the aim of obtaining a novel multi-objective optimization design algorithm for wind turbine blades. As an example, a high-performance 1.5 MW wind turbine blade, taking maximum annual energy production and minimum blade mass as the optimization objectives, was designed. A 1/16-scale model of this blade was tested in a 12 m × 16 m wind tunnel and the experimental results validated the high performance. Moreover, both the computational fluid dynamics (CFD) method and a free-vortex method (FVM) were applied to calculating the aerodynamic performance, which was consistent with the experimental data. For completeness, the CFD and FVM were used to analyze the wake structure, and good and consistent results were obtained between them.     

风电机组叶片流固耦合的数值模拟方法

 以某5 MW 风电机组叶片模型为对象,研究一种适用于风电机组叶片流固耦合数值模拟的风轮旋转模拟方法。以风切变形式模拟风轮旋转及来流风速的综合效应,对叶片各截面翼型的扭角进行修正,建立风电机组叶片的风轮旋转模拟模型,利用有限元法模拟风电机组叶片的风洞流场实验,仿真模拟旋转效应下风电机组叶片的周围气压、绕流分布、表面压力及结构位移,并进行数据交叉迭代求解,得到风电机组叶片的流固耦合结果。与额定风速均匀来流条件下的初始模型计算结果和文献实验结果进行对比分析,验证了风轮旋转模拟方法的可行性。     

风力机设计及其空气动力学问题

针风力机设计中的复杂多变量、多目标和多约束优化问题,提出一种基于Pareto理论的风力机多目标设计框架,并以1．5Mw大型风力机叶片设计为例,讨论了风力机多目标一体化设计的基本特点．然后由此引出风力机设计中至关重要的气动计算方法和非定常气动力建模面临的挑战,概述了风力机空气动力学的复杂性,介绍了在风力机空气动力学计算方法和气动建模方面取得的进展和存在的问题．     

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.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.