基于模型试验的风力机基底应力分布特征及平面度修正

为有效掌握风荷载作用下风力发电机地基的复杂应力分布,提出关于基底应力平面分布假定的修正方法。以相似法则为理论基础,建立山区风力发电机地基缩尺物理模型试验系统,模拟不同平均风速和脉动风时间步长时的水平风荷载,测试不同风荷载下的基底静压力和动压力,研究应力的分布模式、变化规律,提出基底应力的平面度修正方法。研究结果表明：风速越大,基底静压力越大;而当风速一定时,基底各点的压力差异随着时间步长增加而加大,因此,低频脉动风更容易威胁地基稳定性;在不同工况下,动压力仅为静压力的1/20~1/12,故可采用拟静力法对风力机基底应力进行计算;若按常用的建筑规范基底应力计算方法,会低估基底应力差异,结果偏于不安全,而进行平面度修正后,应力修正值与实测值更加接近,这证明了利用平面度修正的合理性,也意味着基础设计埋深可更大,这为山区风力机的地基基础安全设计提供了新思路。     

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...     

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。     

高原地区风力机设计与改进研究

与低海拔地区相比,高原地区地质条件复杂、气候特点鲜明。在高海拔和强日照环境下,普通风力机会出现输出功率下降、电气性能降低、散热效果不佳、雷击风险加大等一系列问题。为解决上述难题,研究通过修正风力机功率曲线、改进结构与电气设计等手段,总结出适用于高原地区的风力机设计方法和规范。     

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.     

基于竹子生物特征的维管束结构塔筒力学特性研究

竹子具备较强的生存能力,这与其自身独特的生物特征紧密相关.从宏观角度对竹子结构进行研究可以发现,沿竹身非均匀分布的竹节是竹子最为显著的结构特征,竹节可提高竹材轴向和径向的抗压能力.进一步从微观角度对竹节维管束结构进行研究可以发现,竹节维管束是竹节的主要承载结构.考虑到竹子和风力机塔筒的相似性,将竹节维管束生物特征应用至风力机塔筒结构设计中,进行仿竹节维管束塔筒设计,并在极端工况下对仿竹节维管束塔筒和原塔筒进行静力学对比分析.结果表明,仿竹节维管束塔筒相比原塔筒最大响应应力减少了22.12%,最大响应位移减少了9.02%,仿竹节维管束结构使仿竹节维管束塔筒的强度和刚度得到了提升.研究结果可为竹节微观生物结构在实际工程应用方面提供理论依据.     

动态失速下H型垂直轴风力机实时变桨控制规律

针对垂直轴风力机风能利用率低、自启动能力弱的问题,以1 kW H型垂直轴风力机为研究对象,通过对比美国Sandia国家实验室动态失速下测得的风力机实验结果与风洞静态实验结果,分析动态失速对桨距角调节的影响规律;以风轮的最大切向力为目标,得到垂直轴风力机在上风区和下风区的最佳理论攻角分别为14.8°和−14.8°。为使风轮在旋转过程中维持在最佳攻角附近,基于双致动盘多流管理论进行Matlab编程计算,建立风轮工作状态下的受力模型,获得垂直轴风力机在各个方位的桨距角。通过对0°和180°方位角下的桨距角进行修正,给出垂直轴风力机1周变桨距规律。最后,利用双致动盘多流管理论对提出的变桨控制规律进行理论验证。研究结果表明：利用该变桨距规律得到的风能利用率可以由34.6%提高到42.8%。     

自然风速下低雷诺数风力机翼型气动特性随机数值分析

为量化随机自然风速条件下风力机翼型气动特性不确定程度,以S809风力机翼型为研究对象,基于非嵌入式概率配置点法和Transition SST转捩方程,建立了低雷诺数风力机翼型气动特性随机数值分析模型,获得了自然风速条件下风力机翼型气动力确定性和不确定性成分比例,并揭示了风速大小和方向随机耦合作用对翼型流场结构、压力系数和摩阻分布及湍动能的影响及不确定传播机制.结果表明,随机风速风向对翼型升阻气动因子不确定度影响显著,在计算攻角范围内S809翼型升阻比3σ置信区间相对不确定度最大为±35.13％;随机风速风向耦合作用下翼型升阻比不确定度分别是单随机因素下的4.76倍和1.08倍;翼型对来流不确定性敏感区域为前缘,可以考虑在翼型前缘部分进行气动稳健性优化设计.     

基于BEM的风力机叶片形变及气动性能

为研究叶片形变对风力机气动性能的影响,提出基于叶素动量理论的叶片形变及气动性能研究方法,建立叶片在弹性形变下的形变量计算和气动载荷修正模型,通过改进的叶素动量理论与计算结构力学耦合迭代进行求解,并计算1 500 kW风力机叶片不同风速下的弹性形变量及对气动性能的影响。研究结果表明：所提算法可快速计算叶片弹性形变,用于叶片气动外形与结构设计的修正;可计算叶片等效攻角差值及其补偿角,用于优化风力发电机组变桨控制算法。     

混塔式风力机塔筒有限元模型修正研究

提出了一种基于代理模型与自适应调整方差的混塔式风力机塔筒有限元模型修正方法。首先,运用Markov Chain Monte Carlo(MCMC)算法中的Metropolis-Hastings(MH)抽样技术,对实测频率模型的后验概率密度分布进行求解;其次,提出一种自适应调整MH抽样中建议分布方差的方法,采用Kriging代理模型代替传统的有限元计算,以提高抽样迭代的计算效率,最后,结合实际工程案例进行分析和验证。研究结果表明,相较于传统的MH抽样方法,本文方法提升了模型的修正效率,减小了真实模型与有限元模型之间的误差。