考虑台风时空变异性的15 MW海上风电机组来流风速场研究

已有针对大型海上风电机组的抗台风安全研究较少考虑对同一机组台风过境全过程的影响和同一时刻海上风电场不同机组的影响。然而,实际上台风具有显著的时空变异特征,随着海上风电机组日益朝着高大化趋势发展,有必要重新审视台风时空变异性对大型海上风电机组结构安全性的影响。以未来主流大型海上风电机组(15 MW海上风电机组)和主流海上风电场规模为研究对象,基于气象实测数据和台风多阶段风速场数据驱动模型获取了台风“威马逊”(1409)的台风致风速场时空变异特征,并反演了台风“威马逊”影响下同一时刻不同机组和同一机组不同时刻的15 MW海上风电机组的来流风速场,并开展了相应的极值对比分析。研究结果表明,台风时空变异性对海上风电机组的来流风速场影响显著,将导致同一风电场内的不同机组来流风速可能存在量级差异,也意味着相同设计标准下的风电机组在同一台风影响下会存在截然不同的结构安全表现。通过对台风时空变异特征及其引起的来流风速场进行研究,阐明了这些因素对大型海上风电机组结构抗台风安全性影响的重要性,可为面向我国海域的大型海上风电机组安全设计提供参考依据。

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ:入流和尾流特性

空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一,决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求,结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势,对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨,本篇为其中第二部分:入流和尾流特性。一方面,选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面,从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手,梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展,分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外,结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后,对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅰ:风力机气动特性

随着世界各国纲领性行业政策的积极制定,风电行业将继续高速发展。风电机组大型化(达到多兆瓦级甚至十兆瓦级)、海洋化(从陆地扩展至海上)、智能化(辅以智能化结构、材料和控制策略)、数字化(精准预测和实时感知调控)是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务,由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象,就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨,本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因;然后,针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计(特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题)与流动控制等关键空气动力学问题,从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手,对其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论;最后对今后的研究方向进行分析与展望,为大尺寸风力机叶片设计提供参考。

基于Theodorsen模型的二元翼段颤振求解

文章基于Wagner函数和Theodorsen非定常气动力模型,建立了风力机叶片二元翼段结构模型,通过使用v-g法来求解颤振速度与颤振频率,从而确定了频率特征值的分析方法,该方法可有效对二维叶段进行频域的颤振分析。与文献算例进行对比验证,该方法与文献数据的相对偏差在2.67%,证明了其准确性和可靠性。最后对风力机二元翼段进行颤振稳定性分析,通过改变无量纲系数来深入研究空气密度、几何、结构参数对颤振边界的影响规律。结果表明,在空气密度小的高空运行时颤振临界速度增加,叶片几何、结构参数对颤振边界影响显著。

细胞外ATP防治失神经肌肉萎缩的实验研究

目的 研究细胞外 ATP对于失神经肌肉萎缩的作用。方法 采用大鼠坐骨神经切断后腓肠肌肌注 ATP模型，检测肌湿重，肌肉横断面面积和运动终板染色及图象分析。结果 肌注 ATP侧肌湿重、肌肉横断面面积和运动终板染色平均灰度值与生理盐水肌注组对照具有显著差异 (P< 0.05)。结论细胞外 ATP对于防止或延缓失神经肌肉萎缩的发生具有一定的作用。

反义核酸抑制增殖细胞核抗原表达的研究进展

反义核酸是天然存在于原核生物内或根据碱基互补原理人工合成的短片断寡聚核苷酸,通过与靶基因或mRNA配对结合,阻断基因转录和翻译,从而特异性抑制靶基因的表达。1978年Zamecnik等〔1〕首次将反义技术应用于抑制病毒基因表达研究并获得成功,从而进入了应用反义技术研究基...

考虑土-结相互作用大型风力发电结构风致响应分析

以南京航空航天大学自主研发的某5MW大型风力发电结构为研究对象,建立考虑叶片离心力的"叶片-机舱-塔架-基础"一体化有限元模型,并通过在基础和土体交界面上设置质量弹簧和阻尼器来考虑土-结相互作用(简称SSI)效应;然后基于谐波叠加法和改进的叶素-动量理论模拟考虑旋转和相干效应的风力发电结构脉动风场;最后进行风力发电结构的风致响应分析。结果表明考虑SSI效应的大型风力发电结构风振响应具有多振型响应和多模态耦合特性,叶片和塔架的风致背景、共振响应及其耦合项作用机理不同。研究认为SSI效应对大型风力发电结构的风致响应影响明显。

基于转捩模型的风力机涡流发生器气动特性分析

加装涡流发生器有助于大型风力机叶片根部部位厚翼型表面边界层气流分离的控制。以安装涡流发生器的DU-W2-250叶片段为研究对象,采用?-Reθt转捩模型和SST湍流模型,从叶片表面的摩阻系数、法向速度型以及压力分布规律3个方面进行气动特性分析和比较,并与Delft的试验数据对比。研究结果表明转捩模型计算结果与试验值更加吻合,湍流模型的升力系数最大误差达21.3%,升阻比最大误差达51.8%。转捩模型可以准确捕捉叶片的转捩现象,在小迎角下转捩点发生在VGs下游,随着迎角增大转捩点向VGs上游过渡。在转捩效应的影响下,叶片近壁面流体具有高能量而使流速更高。转捩模型计算得到的叶片上表面压力系数高于湍流模型,在20°大攻角下更加明显。

转捩对风力机涡流发生器气动性能影响的数值模拟研究

转捩效应对叶片气动特性产生重要影响。考虑了转捩效应,采用SST全湍流模型和Gamma-Theta转捩模型对安装有涡流发生器的DU91-W2-250叶片微段进行了三维计算,并与文献试验数据对比,研究了转捩对风力机涡流发生器气动性能的影响规律。结果表明：在攻角0°~22°范围内,转捩模型计算的升力系数与试验值吻合更加良好,最大误差仅为7.9%;全湍流模型在攻角大于18°,升力系数最大误差达23.1%。转捩模型计算的升阻比曲线与试验值基本吻合,全湍流模型最大误差达51.8%。全湍流模型计算的叶片分离区尺寸明显大于转捩模型的,转捩效应使叶片分离区域变小,起到延迟失速的作用。在5°小攻角下,转捩发生在涡流发生器下游;在14°攻角下,转捩发生在涡流发生器上游,转捩模型能准确捕捉到叶片前缘的分离泡。

涡流发生器对风力机翼段动态失速影响

为研究翼型动态失速过程中,涡流发生器(VGs)对其气动特性和流场的影响,本文采用延迟分离涡模型对加装VGs的风力机翼型DU91-W2-250翼段动态失速进行了数值模拟,分析了VGs对深失速和轻失速转化过程的影响。结果表明:涡流发生器对动态失速有抑制作用,有显著的增升减阻效果,翼段下俯段的气动性能改善效果要好于上仰段。由于分离程度不同,翼段加涡流发生器后,深失速下俯段升力低于上仰段,轻失速下结果则相反。

风力机风振背景、共振响应特性及耦合项分析

基于已提出的可考虑结构共振模态之间、背景与共振模态之间耦合效应的风振计算方法"一致耦合法",对某兆瓦级大型风力机系统进行风振反应分析。首先建立风轮–机舱–塔体一体化有限元模型,获取并分析系统动力特性;然后采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论,模拟考虑相干和旋转效应的风轮–塔架脉动风场;最后进行风力机塔轮系统结构的风振动力反应计算。通过与全模态精确解的对比探讨,揭示了风力发电塔轮系统风振背景、共振响应分布特性,以及模态间耦合效应的作用机理,并给出了风力机塔轮系统风振系数的建议取值,为兆瓦级风力机系统的抗风设计提供科学依据。

基于改进NSGA-Ⅱ算法的风力机叶片多目标优化设计

一种结合了精英控制策略和动态拥挤距离方法的改进的快速支配排序算法(Fast and elitist non-dominat-ed sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)被用于风力机复杂的多目标优化设计中。作为此算法的应用算例,以风轮的年发电量最大、叶片的质量最小和叶片根部的极限推力最小为目标,分别进行了两目标和三目标的1.5 MW风力机叶片的优化设计。研究表明:两目标优化给出的Pareto最优解集分布在一条曲线上,而三目标的优化结果基本分布在一个有明显边界的五阶曲面上。同时也可以看出,此算法在处理风力机多目标优化问题取得了良好的效果,给出的是一个Pareto最优解集,而不是传统优化方法追求的单个最优解,为风力机多目标优化设计提供通用的算法。

安装角对立轴风轮气动性能影响分析

采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,从安装角β=0°、β<0°和β>0°三个方面分析了安装角对直叶片升力型风轮气动特性的影响规律。研究得出,负安装角增大,有效提高了上盘面力矩,局部范围内减小了下盘面力矩。正安装角的增大,大幅度大范围降低了上盘面力矩,局部范围内大幅度提高了下盘面力矩。两者比较得出,负安装角可改善风轮的气动流场,增加风轮的风能利用系数。部分计算结果得到了试验结果验证,证明可以反映流场的真实信息。

基于扰流技术的直叶片升力型垂直轴风轮的性能改善

提出采用扰流方法,来解决因局部方位角的叶片攻角极小而导致整体H型风轮性能较低的问题。基于双盘面多流管模型,分析了尖速比分别为5和6时,扰流对叶片攻角、切向力系数和转矩的影响规律。计算表明:扰流作用下,在0o≤θ≤15o和345o<θ≤360o引流范围内,攻角增幅随着方位角的增加而增加;在175o≤θ≤185o范围内,随方位角的增加而减小;相同引流域内,随着尖速比的增大而减小。扰流对0o方位角性能改善效果比180o方位角明显,切向力系数和转矩的增幅在0o≤θ≤15o扰流范围内较大,345o<θ≤360o次之,175o≤θ≤185o范围内增幅最小。研究了扰流角对风轮性能的影响规律,研究表明适当增大0o和180o处的扰流角可以提高风轮性能,扰流角增加相同幅度,上盘面的转矩的提高幅度更大。

风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进

该文从日常的风力机气动设计和研究出发,在考虑非定常条件下翼型绕流物理特性的基础上改进动态失速的半经验模型,先得到二维时的计算结果(即不考虑旋转影响的计算结果),再在考虑紊流的情况下分析离心力和哥氏力对附面层分离的影响来计算风力机叶片的非定常气动特性,得到三维时的计算结果(即考虑旋转影响的计算结果)。分析比较二维和三维时的计算结果,可知采用考虑旋转影响的计算方法改善了原来二维时的计算方法,所得结果与实验值吻合得较好。

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.

大型风力机全机风振响应和等效静力风荷载

建立新一代超大功率风力机系统,考虑风轮离心力的"风轮-机舱-塔体-基础"一体化有限元模型,输入采用基于谐波叠加法和叶素-动量理论计算的考虑风轮旋转、塔架-风轮模态和气动相干效应的脉动风荷载;结合考虑结构背景、共振及耦合项的风振精细化计算方法,研究风力机塔-轮系统的风振响应、等效静力风荷载(ESWL)和动力放大系数的分布特性.结果表明:新一代大型风力机塔-轮系统的风振呈现多模态耦合、多振型响应和多目标等效3个显著特征,其中塔架中上部和风轮由共振响应主导,塔架底部背景和共振响应相当,背景和共振交叉项影响不能忽略.

旋翼翼型俯仰沉浮运动非定常气动特性实验研究

在南航非定常风洞内研制、开发了一套两自由度电控液压动态实验台,利用该设备,完成了翼型俯仰运动、沉浮运动以及俯仰沉浮耦合运动测压实验,并积分计算了翼型动态运动过程中的升力系数。翼型俯仰运动结果表明,翼型上的压力分布和升力系数与翼型振动频率和振动幅值有很大关系,随振动频率和振动幅值的增加,升力系数迟滞包线相应增加,而这一过程与翼型上前缘涡的脱落过程有关。翼型沉浮运动研究了翼型在不同迎角、不同风速下做沉浮运动时的压力分布和升力系数,结果表明在20m/s风速下,模型做沉浮运动时只对翼型前缘的压力分布产生影响,而在10m/s风速下,沉浮运动不仅使前缘压力分布产生变化,而且影响翼型下游的压力分布,这与翼型前缘形成的分离气泡脱落有关。另外给出了翼型做俯仰沉浮耦合运动时的压力分布初步结果。

基于转捩模型Phase VI风力机气动特性数值计算

采用γ-Reθt转捩和SST湍流模型,从来流风速7、10、13、15、20和25m/s六个工况,分别模拟计算Phase VI风轮的转矩、叶片表面压力系数以及表面流线,并与S?rensen计算结果、风洞试验数据进行对比。转矩对比结果表明,转捩模型计算结果与试验值吻合良好,最大误差为7.8%;SST湍流模型最大误差为24.3%;S?rensen计算最大误差为33.4%,误差主要发生在叶片失速风速区域。在大部分叶片截面,转捩模型的表面压力系数结果与试验值更加吻合。从叶片表面流线看出,转捩模型可以反映出叶片表面转捩现象,而湍流模型无法体现。

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。