叶片覆冰对支撑结构抗冰性能的影响分析

海上风能资源作为清洁能源具有较大发展潜力。在我国黄渤海地区,风力机叶片表面在寒冷潮湿环境下易出现覆冰现象,覆冰不均匀可能会改变风机支撑结构的整体力学性能。在结冰海域,海冰会造成风电基础结构强烈的冰激振动。叶片覆冰后不仅会降低风电机组的发电效率,还会影响支撑结构的冰振特性。本文首先通过FENSAP-ICE对叶片覆冰过程进行研究,明确了不同环境条件下的风机叶片覆冰特性;其次,采用增加质量和改变质心位置的等效质量分布方法,建立风机叶片覆冰后支撑结构的冰振响应分析方法。最后,选取某单桩式海上风电基础结构,对不同的风机叶片覆冰情况下支撑结构的力学性能进行分析,并讨论叶片覆冰对支撑结构的抗冰性能影响。     

水平轴风力机叶片翼型霜冰结冰的数值研究

本文利用FLUENT UDF对水平轴风力机叶片翼型霜冰结冰的情况进行了数值模拟,得到不同环境参数下,叶片翼型霜冰结冰的特性。对结冰翼型气动性能的分析结果表明,叶片结冰后,最大升阻比下降了36.7%,严重降低气动性能,在严重降低风力机性能的同时,对叶片本身安全造成影响。     

叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

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.     

覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性及其影响因素分析

为探究覆冰条件下旋转风力机叶片振动特性,分析温度、湿度、风速、运行时间四个因素对覆冰叶片振动特性的影响,以1:12.5建立的实体风力机模型为研究对象,搭建旋转风力机叶片覆冰振动测试试验台,设计四因素三水平正交试验,采用环境激励(风激励)和多点拾振的方法进行模态测试。试验研究了不同覆冰状态下旋转风力机叶片的振动特性及其变化规律;以最大振动频率为评价指标,分析四个因素对覆冰风力机叶片振动特性的影响。结果表明:相同覆冰条件下,覆冰厚度不变,旋转风力机叶片振动频率由叶尖至叶根逐渐减小;覆冰位置不变,覆冰厚度增加,旋转风力机叶片振动频率逐渐降低;旋转风力机叶片运行环境温度和湿度变化对其振动频率的影响较大。为进一步分析覆冰条件下旋转风力机叶片的位移响应和振型变化,建立了风力机三维模型,利用ANSYS软件对其进行谐响应分析,分析结果显示不同覆冰状态下叶片振型变化无明显差异,覆冰厚度增加,叶片位移响应值明显增大。研究结果可为覆冰条件下风力机运维策略选择及叶片覆冰安全监测提供理论参考。     

基于Xflow风机叶片覆冰数值模拟研究

为研究风力发电机叶片覆冰后对其运行性能带来的诸多问题,本文采用格子玻尔兹曼方法-大涡模拟的无网格方法对贵州某1.5 MW大型风力发电场的风机叶片雾凇、雨凇覆冰下的结冰程度、风速及转速对其输出能力的影响进行数值模拟研究,并根据计算结果拟合出一组公式.结果显示:额定风速下雾凇覆冰程度达2％时,与未覆冰(0％)时相比,输出功...     

结冰对扑动翼气动特性影响的计算分析

为了研究不同结冰条件对风力机叶片翼型气动特性的影响,本文采用计算流体力学中的有限体积法,对不同结冰类型、不同结冰时间以及不同结冰位置三种结冰情况下的扑动翼型的气动力进行了系统的计算分析;通过与非结冰的干净翼型相对比,分析了在不同结冰情况下翼型的气动力以及周围流场的变化差异.此外,本文还研究了在相同结冰情况下由于翼型的基本形状变化所引起的气动力特性的差异.结果表明,结明冰要比结霜冰对翼型的气动性能影响更大.在扑动状态下,非对称翼型比对称翼型更容易受到结冰的影响.     

架空输电线的找形及舞动分析

提出一种高效率的多跨度架空输电线覆冰舞动的简化有限元分析方法.基于有限元程序ANSYS/LS-DYNA,建立用弹簧代替塔对输电线作用的弹簧-输电线模型,给出了考虑初始架线构型和覆冰荷载的混合找形法,利用CFX数值风洞技术对覆冰导线各攻角下气动特性进行CFD数值模拟得出升力系数曲线,进行了多跨度架空输电线的简化舞动分析和有效性验证.基于本方法对1 000kV汉江大跨越架空导线的覆冰舞动进行了仿真计算,得出风速和初始凝冰角控制舞动发生的结论.     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

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6m/s到20 m/s的15个工...     

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。     

直升机旋翼结冰后三维桨叶气动特性数值分析

针对直升机旋翼桨叶结冰问题,研究了结冰前后三维旋翼桨叶气动特性.基于多参考系模型建立了旋翼桨叶三维结冰数值模拟方法,对其中空气流场计算、水滴撞击特性计算、结冰生成计算和几何模型重构等步骤进行了介绍.以C-T旋翼为模型,计算分析了结冰对旋翼桨叶气动特性的影响.计算结果表明,结冰后旋翼桨叶升力降低、阻力增加,悬停性能下降明...     

发动机冷却风扇叶尖参数优化

发动机冷却风扇是车辆冷却系统的重要组成部分,静压和轴功率是评价其气动性能的重要指标,而叶尖作为风扇做功的主要部分对风扇气动性能有较大影响.以发动机冷却风扇为研究对象,研究了风扇气动性能的计算方法和叶尖参数的优化方法.首先给出了风扇气动性能的计算方法,依据试验台建立风扇计算模型,利用模型仿真得到风扇在某一转速下的性能曲线,并与试验值进行了对比验证;然后以叶尖安装角、叶尖弦长、叶尖拱高为变量设计新风扇,基于正交试验法对各叶尖参数进行优化组合,给出了风扇叶尖参数的优化方法;最后通过风扇性能曲线、叶片压力图、叶片速度矢量图对优化结果进行分析,验证了优化方法的可行性.文中关于风扇叶尖参数的分析与优化方法,对发动机冷却风扇的设计具有指导意义.     

三维机翼结冰外形生成及流场分析

研究了各种结冰条件对民用飞机机翼冰型的影响因素,通过确定结冰区域,计算水收集系数,对翼型在特定条件下的结冰冰型进行了模拟,同时采用NURBS样条曲线、医学影像法则对三维机翼冰型建模,并分别生成了三维无冰机翼及结冰机翼的空间非结构化网格.模拟结果显示,结冰对气动性能影响较大.     

基于自由尾迹法小翼气动特性分析

基于(势流)涡方法开发了水平轴风力机叶片设计优化程序,采用自由尾迹模型对增加小翼后的叶片气动设计性能进行初步分析,研究了风力机设计工况下,小翼对气流涡位置及诱导速度分布等气动性能参数的影响,对比分析了增加小翼后功率输出情况。结果表明,增加小翼后风力机叶片在设计工况下功率系数有明显增加,可以考虑将叶尖小翼作为已安装风机功率提升的解决方案之一。     

两种典型覆冰导线气动力特性及稳定性分析

通过节段模型高频天平测力风洞试验,计算了准椭圆形和扇形两种代表性覆冰导线的气动力系数均值、均方根值.基于准定常假设对试验模型的单自由度驰振可能性进行了分析.所得结果为研究类似截面形状覆冰导线的气动特性提供了参考,为进一步计算覆冰导线响应提供了基础数据.     

前向离心风机蜗壳出口结构的数值优化

对某前向离心风机内部三维非定常流动进行了数值计算,重点研究了蜗壳出口的3个结构参数--蜗壳出口扩张角、叶轮的露出长度以及蜗舌间隙对风机气动性能及气动噪声的综合影响.通过响应面方法对数值结果进行二次回归拟合,得到3个结构参数与风机效率和A声级间的函数关系,并进行了优化分析.数值结果表明:叶轮露出长度和蜗舌间隙对风机效率和A声级影响较为显著,通过优化能够在保持风机效率基本不变的情况下使A声级降低9.4 dB.将可靠的CFD数值技术与响应面方法结合起来用于指导离心风机的改进及试验设计是可行的.     

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.     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

风力机叶片气动噪声时域分析方法研究

风力机叶片气动噪声影响周边居民生活的问题开始引起研究人员的关注。现有研究大多基于CFD软件或实验数据拟合方法对其气动噪声进行分析,难以适应气动噪声随风速变化的动态分析需求。考虑风力机运行状态、来流风速以及接收点位置的影响,基于传统气动声学理论,建立了风力机叶片气动噪声计算的修正模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,运用时域分析方法,对一种2 MW风力机叶片的气动噪声进行了编程计算,并绘制了风力机叶片气动噪声的声压时间序列图,为开发低噪声风力机叶片提供了理论依据。