新型多立柱张力腿式浮动风力机概念模型试验研究

近海深水区域蕴藏着丰富的高品质风能,海上浮动风力机是目前开发深水风能最具潜力的新装备.首先分析了开展海上浮动风力机水池模型试验时需要考虑的相似准则,并根据其受力情况综合选取了合适的相似准则.采用基于风轮推力相似而优化设计的模型叶片建立了一套风力机模型,有效解决浮式风力机模型试验中的"尺度效应"问题.本文对所提出的新型多立柱张力腿式浮动风力机概念(WindStar Tension Leg Platform System,WindStar TLP System)进行了水池模型试验研究,模型试验缩尺比为150.试验中测定了其空气动力、水动力和结构动力特性,得到了其在不同环境条件下的运动响应和总体性能.模型试验结果可为该新型多立柱张力腿式浮动风力机概念的进一步研究提供参考依据.     

基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法

针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.     

风力机叶片断面的几何参数分析

针对风力机叶片内部的结构形式,采用薄壁结构力学多闭式理论,对某种风力机叶片结构进行简化和分析,建立几何模型,利用MATLAB进行编程计算,得到叶片断面的弯扭特性参数.分析结果表明,风力机叶片断面的扇性静矩分布并不均匀,在叶片断面头部的值较小,尾部的值较大,容易造成叶片后缘失稳.在风力机叶片结构设计时,要提高叶片后缘部分的设计参数,以满足叶片的结构强度、刚度及稳定性要求.     

海上风力机模型试验平台与技术研究及实践

海上风能资源储量丰富,促进了海上风力机的发展.随着风力机功率的增大,适用于浅海海域的固定式基础已经不再满足设计要求,适用于深海海域的浮式基础得到了快速发展.本文介绍了浮式风力机的发展过程、类型以及特殊性,指出了水池模型试验在浮式风力机的发展过程中起着不可或缺的作用.本文首先总结了缩尺模型试验的关键技术,然后以上海交通大学提出的6 MW单柱式风力机为研究对象,总结了缩尺模型的制作过程,最后介绍了上海交通大学海洋工程深水试验池的建设情况,并展示了在该试验池中进行的新型多立柱张力腿式风力机模型试验的结果.其试验结果与软件计算结果吻合较好,表明该试验池可以很好地开展浮式风力机的模型试验.本文对于后续的6 MW单柱式风力机模型试验及众多的风力机模型试验具有一定的指导作用,为我国浮式风力机的发展提供了理论依据.     

1.5MW风力机叶片设计与气动性能分析

叶片是风力机中最关键的部件,其气动性能决定风力机的风能利用效率。本文通过Glauert法设计1.5 MW水平轴风力机叶片,并利用FLuENT中的k-ωSST湍流模型,采用周期性边界,对叶片进行气动性能进行数值模拟。分析叶片桨距角固定的风力机在不同来流时风轮的转矩和轴向推力。研究表明:风轮在额定工况下,输出功率1 602 kW,风能利用系数达到0.325,满足设计要求;风速大于12 m/s时,可通过适当降低转速来维持风力机输出功率。     

基于γ-Re_θ转捩模型的垂直轴风力机气动特性研究

在两方程的剪切应力输运SST k-w全湍流模型中添加γ-Re_θ转捩模型,以某两叶片垂直轴风力机为研究对象,数值计算得到叶片表面压力的分布规律,并与文献中的实验结果进行了对比.在此基础上,分析和对比了添加转捩模型后,风轮的转矩和推力系数、叶片表面极限流线分布和叶片表面摩擦阻力系数的变化规律.结果表明:相比SST k-w全湍流模型,添加γ-Re_θ转捩模型后的四方程Transition SST转捩模型预测得到的风轮的转矩系数和推力系数的均方根分别下降了6.13%和0.55%;计算时考虑γ-Re_θ转捩模型能够预测垂直轴风力机叶片表面边界层的转捩现象和更详细地捕捉叶片表面复杂的流动特征.     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

上风向水平轴风力机塔影效应数值模拟

风力机塔架和叶片之间的相互作用是影响风力机气动性能的主要因素之一,本文以美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)的5MW风力机为研究对象,使用雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-Averaged Navier-Stokes,RANS)方程和剪切应力输运(Shear-Stress Transport,SST)k-ω湍流模型,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对三叶片上风向水平轴风力机开展了塔影效应的分析研究.为了得到更加精确的模拟结果,在模拟计算之前开展了网格无关性验证以及模型验证.模拟过程中使用了两种模型:带有塔架的风力机模型以及没有塔架的风轮模型,通过对两种模型的模拟研究得到了塔影效应对风力机气动特性的影响.同时,本文也开展了基于动量叶素理论的方法对塔影效应的研究,并且比较了这两种研究方法.结果表明:上风向水平轴风力机的塔影效应是非常明显的;塔影效应的存在使风力机气动荷载出现突变,对风力机叶片和塔架都会产生不利影响;塔影效应的存在对风力机气动荷载的平均值影响较小,使风轮的平均推力值下降0.46%、平均功率值下降0.87%.本文为进一步研究塔影效应对风力机气动特性的影响提供了一些参考.     

基于matlab软件风力机叶片的数字化设计

本文以风力机叶片为研究对象，选用常用的NACA4412翼型，基于Glauert设计模型，利用matlab工具对一20KW风力机进行了叶片气动外形的设计，得到风力机叶片的外形参数。计算过程利用matlab能够简化繁琐计算便于修改参数，能够推广到其他产品的设计，为产品设计提供一定的依据。     

考虑气动弹性的风力机叶片分析

运用修正的叶素-动量理论和有限元方法,建立了一种全新的考虑气动弹性的风力机叶片性能分析方法.运用该方法,在多种风速工况下对某850 k W风力机叶片的性能进行了计算,结果表明:对于大功率风力机,在大风速大载荷工况下,气动弹性对风轮性能有明显的影响,使叶片偏离原设计值.该方法的运用对于叶片的气动设计、载荷计算和结构设计有实际指导意义.     

斜轴式风力机的气动模型(英文)

本文介绍了一种新型风机——斜轴式风力发电机。并对目前广泛应用于水平轴风力机的动量——叶素理论进行了推演,引入了“轴向推力线密度”的概念,从而建立了斜轴式风力机的气动模型。利用该模型,可以进行科轴机的性能计算,叶片参数的设计及优化,并为整机的结构设计提供理论依据。另外,该模型还可以用来计算水平轴风机侧偏限速时的性能。     

3MW风力机叶片的3D建模及模态特性分析

叶片在风力发电机的能量转化的过程中是至关重要的,它的设计成为了风力机设计的核心和重点.以3 MW风力发电机叶片为研究对象,选择了合理的设计参数,在Pro/E中建立叶片三维实体模型,利用ANSYS进行不同工况的模态分析,计算出各阶固有频率和振型,通过对比分析得到叶片在工作时不会发生共振,满足叶片设计要求.     

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.     

叶片疲劳寿命神经网络近似计算模型数值实验

借助结构近似分析,建立叶片疲劳寿命神经网络近似计算模型,近似计算风力机叶片疲劳寿命性能.进一步通过风力机叶片疲劳寿命神经网络近似计算模型的数值实验,得到学习样本数、神经网络隐含层节点数、学习精度对风力机叶片疲劳寿命近似计算结果的影响关系,以提高风力机叶片疲劳寿命值近似计算的准确率.基于神经网络的风力机叶片疲劳寿命近似计算方法,为风力机叶片疲劳寿命性能计算提供新的计算手段.     

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.     

水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究

提出了风力机风轮叶片的优化设计模型,该模型考虑了风场风速的概率分布,以风力机年能量输出最大为设计目标,使用遗传算法进行搜索寻优.利用开发的优化设计程序,设计了1.3 MW风力机的叶片.与已有风力机相比,设计结果显示了明显的优越性,从而说明了该优化设计模型的有效性和实用性.     

基于预条件技术的风力机叶片计算方法研究

风力机叶片气动性能对风电机组功率输出具有重要意义和价值,正确的评估叶片性能有利于风力机选型设计工作。为此研究一种基于预条件技术的CFD计算方法用以风力机叶片气动性能评估。研究内容包括预条件处理、S-A一方程湍流模型等内容。利用C++语言开发气动计算程序,采用所开发的程序对某型风力机叶片算例进行气动模拟,获取流场及叶片表面压力系数分布。计算结果与实验吻合良好,所开发的程序可用于工程风力机叶片气动分析,有利于风力机设计工作开展。     

基于CFD的船舶导管螺旋桨的水动力性能研究

运用计算流体力学软件对黏性流场中导管螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了导管螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、导管螺旋桨表面压力分布等.首先利用UG及Gambit建立计算模型,然后在FLUENT软件中利用滑移网格(Moving Mesh)的方法计算导管螺旋桨在敞水状态下推力以及转矩.最后将计算结果与模型试验值进行比较,CFD计算结果与模型试验结果吻合.     

泛函分析思想在新型风力机叶片设计中的应用

考虑法向力和切向力的叶尖损失,推导并给出了一种改进的风力机轴向和周向因子的计算模型。结合最新设计的高性能风力机专用翼型系列,利用泛函分析方法,研究了风力机叶片展向弦长及扭角分布的泛函表达方法,提出一种新的通用叶片形状的广义泛函方程;考虑实际风场风速的概率分布,空气密度及工业界对风力机叶片的气动与结构设计要求,分别以定速运行方式和变速运行方式下风力机叶轮年发电量输出最大化为目标,以叶片展向分布函数系数为设计变量,建立了2.3MW风力机叶片优化设计数学模型;优化得到2组性能优越的风力机叶片。新叶片的捕风效率和年发电量都远远高于传统风力机叶片,其中,所设计定速叶片最大功率系数达到0.515 7,变速叶片最大功率系数达到0.517 7。     

固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究

在传统的海上风力机模型试验中，湍流风载荷在实验室中复现困难，实验室场地的空间限制无法进行大型海上风力机模型试验，上部风力机与下部平台存在的缩尺矛盾也无法深入研究海上风力机全耦合作用机理.随着计算能力的提升、数值积分算法以及控制等关键问题研究取得突破，上述矛盾可由实时混合试验方法解决.本文以美国国家可再生能源实验室（NREL）5 MW固定式海上风力机为研究对象，按照1∶90进行缩尺，制作物理子结构模型，开发AeroDyn程序作为数值子结构，添加UDP/IP通信机制作为数据采集与传输方式，以推杆式作动器为加载装置，搭建了完整的实时混合试验系统，进行无海浪工况下的固定式海上风力机实时混合模型试验.将试验结果与FAST软件结果进行对比分析，结果吻合良好，说明了实时混合模型试验方法的可行性.研究结果为海上风力机实时混合模型试验技术的进一步发展提供了参考，为海上风力机结构设计与安全运行提供技术支撑.