大型风力机叶片净空计算方法研究

风力机容量增长伴随着叶片尺寸和柔性不断增大,易引起叶片扫塔。以108m长叶片为研究对象,对比了叶片气动载荷和结构响应多种计算方法,研究了叶片净空距离的影响因素。基于叶素动量理论BEM和计算流体力学CFD计算叶片载荷,同时采用多体动力学MED和梁有限元两种方法计算叶片的受载变形。结果表明,采用叶素动量理论BEM计算的叶片中段载荷比采用计算流体力学CFD值更大,且载荷整体分布更均匀,多体动力学MED比1D梁单元法模态分析结果更准确,但两者计算的叶片变形程度相当。叶片变形与载荷呈单调递增正比关系,随刚度增加呈减小趋势,因此,工程使用BEM方法结合多体动力学方法可用于大型叶片净空计算,计算值相对保守。

基于VMD-LSTM的超短期风向多步预测

[目的]为准确预测未来4 h风向,提出一种基于VMD-LSTM(Variational Mode Decomposition-Long Short-Term Memory)的超短期风向多步预测方法。[方法]采集明阳智能某风电场3个风电机组的风向序列,对其进行预处理及时序分析;基于自相关函数(Autocorrelation Function,ACF)计算风向不同时期的相关性,以选取风向序列的特征长度;采用变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)将风向序列分解为相对稳定的模态信号,通过最小样本熵确定分解的子模态数,并对分解后的模态信号分别建立预测模型,进行超短期风向24步预测;重构风向序列,叠加各分量预测结果。[结果]结果表明,VMD-LSTM在4个季度的24步风向预测的绝对平均误差(Mean Absolute Error,MAE)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)分别为8.430°、16.870°、9.155,且在每个季度不同时间尺度的各个误差评价指标均优于其他常见的数据建模方法。[结论]所提算法可满足风电场的实际生产中优化控制偏航角的要求。

考虑混搭风电机组的海上风电场集电线路拓扑动态优化方法

随着海上风电朝着深远海、大型化的方向发展,市场上风电机组的迭代速度加快,而海上风电场整体开发周期长,与风电机组的机型研发速度不相匹配,故在海上风电场的开发过程中可能会将不同型号的风电机组进行组合布机;但要如何在不同机型的搭配方式中,从经济性与可靠性的角度选择出最佳的拓扑结构进行连接,是混搭风电机组拓扑结构优化的主要难点之一。因此,构建考虑混搭风电机组的海上风电场集电线路拓扑结构动态优化方法,以改进K-means算法和改进Prim算法完成海上风电场的回路划分、路径设计;采用动态交叉优化策略完成拓扑中海缆交叉的处理,权衡每个拓扑方案的经济性与可靠性成本,进行最佳拓扑结构输出;最后通过不同混搭风电机组场景下的拓扑优化结果,验证该方法的有效性。

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

[目的]桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。[方法]采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。[结果]计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。[结论]根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。

台风下风力机测风仪安装位置研究

海上风力机组风速风向的准确测量对台风期间海上机组的安全性控制具有重要意义,而布置于机舱上方的测风仪易受叶片遮挡,导致风速风向测量数据有误进而影响机组的安全控制。基于CFD技术开展了风向仪安装位置的研究,首先给出了台风的典型风参数特征,然后基于现运行机组进行了机舱上方风速风向的测量工作,验证了CFD仿真方法的可行性。接着研究了台风工况机舱上方风向的变化规律,结果表明,叶片的不对称性会导致迎风姿态下,对称风向工况下的流场呈现不对称性,而风向仪安装位置距离机舱平台越远,风向偏转程度越小。同时发现,单一风向仪难以完成所有风向的准确测量,需根据叶片方位制定测量方案,本文提出的测量策略可用于工程应用。

海上风资源评估流程及方法研究

风资源评估在海上风电项目全生命周期中发挥着重要作用,通过风数据处理和特征参数分析对目标场区的风资源水平进行量化处理后的评估结果不仅是衡量风场开发价值的重要标准,也是影响整场发电收益的重要因素之一。以海上测风数据为例,对风资源评估的流程及方法进行了分析与总结,较为完整地介绍了海上测风数据的处理与分析过程及注意事项,对部分学者的相关研究内容与研究结论进行了阐述。

海上风电场激光雷达尾流测试分析

针对海上风电场中尾流风速衰减恢复缓慢、影响范围远的特点,为解决目前海上风电场前期规划设计中的机位排布和后期运行优化阶段无法客观评估真实尾流影响大小及范围的问题,设计海上风电场激光雷达尾流测试结合尾流模型对比验证实验。将扫描式激光雷达布放在海上风电机组塔筒基础平台上,采用PPI探测模式获得风电机组尾流数据,根据激光雷达不同俯仰角的PPI扫描数据特点进行尾流模型数据匹配提取和对比分析,实现多模型、不同高度层的数据对比验证和研究分析。结果表明海上风电机组尾流水平风速衰减呈高斯分布,不同高度层和来流风况条件下Park-Gauss模型对尾流风速的预测与实测数据吻合度均较高,对尾流边界的定位准确可靠,可作为大型海上风电场机位排布优化及尾流控制分析的参考尾流模型。

半直驱永磁风力发电机散热性能影响因素研究

[目的]随着风力发电技术的发展,永磁风力发电机单机容量不断增加,发热功率也随之增大,发电机散热正面临前所未有的挑战,如何有效地解决发电机温升高、散热难的问题一直是我们研究的重点。[方法]文章基于STAR-CCM+软件平台建立了发电机散热-冷却一体化数值模拟方法,通过与实验值对比验证了数值计算方法的可靠性。在此基础上对大功率永磁风力发电机内部温度分布规律以及冷却系统散热性能影响因素进行了研究。[结果]在额定功率下,绕组、定子铁芯的最高温度出现在中层区域,工艺条件允许的情况下,冷却水管位置应尽可能靠近绕组,以带走更多的热量;增大发电机总进风量,可显著降低定子铁芯温度和绕组温度;进风温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进风温度每降低5℃,最高温度降低约1.4℃,降低进风温度可一定程度上改善发电机散热性能;进水温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进水温度每降低5℃,最高温度降低约3.3℃,降低进水温度可大幅提升发电机散热性能。此外,冷却水管与定子铁芯的间隙极大地阻碍了冷却水管的换热,在间隙中填充导热性能好的材料可有效改善发电机散热性能。[结论]文章所得结论可有效指导永磁风力发电机的散热设计,能够保障风电机组在正常工作中安全运行。

内孤立波数值模拟方法研究

本文选用RNGk-ε湍流模型封闭二维不可压缩N-S方程组,选用KdV、mKdV理论作为输入条件进行内孤立波造波模拟。运用流体模拟软件Fluent建立二维内波数值水槽,用动网格手段实现网格变形模拟物理边界造波法,用VOF方法进行密度分层流体的内界面追踪,对不同非线性强度的二相流内孤立波进行了数值模拟。并将数值模拟结果与KdV、mKdV理论波形以及内波试验水槽所造内孤立波进行对比,验证了此套造波方法在Fluent中进行内孤立波模拟的可行性。

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。

基于分治策略的海上风电场集电系统拓扑优化设计

为了解决海上风电场集电系统拓扑设计中,传统采用聚类算法面临的回路负载差异大、算法不稳定以及各类改进最小生成树算法面临的搜索效率较低的问题,提出一种基于分治策略的拓扑优化方法。首先,根据风力机位置分布将整场划分为多个子区域,各子区域的容量满足负载平衡条件;然后,通过最小生成树算法,对子区域进行拓扑优化;最后,采用遍历手段对上述过程进行搜索,生成拓扑方案库,根据总成本最低获取最佳方案。对某海上风电场项目进行拓扑优化设计,验证了方法的有效性、普适性和实用性。

台风影响下海上风电场内的风向偏转特性

基于台风“山竹”“海高斯”“圆规”“查帕卡”登陆广东沿海地区期间,海上风电场内所记录的风速风向数据,分析了风电场中轮毂高度层(约100 m)处1 s平均、30 s平均下的风向偏转特性,统计了不同风速下风向偏转角的特征参数。统计结果表明:风向偏转角随着风速增大呈减小趋势;偏转角的最大值与所对应的风速大小呈正相关,99%、95%分位数偏转角与所对应风速大小呈负相关;1 s平均、30 s平均下风向偏转角的99%分位数,能够表征强风速段风向偏转分布特征;根据风速风向数据的1 s平均、30 s平均统计结果,99%分位数偏转角的最大值、中位值分别为16.38°、10.5°,17.06°、13.19°。

叶尖小翼对风力机叶片气动特性影响研究

叶片外形优化是提升风力机气动性能的关键。文章基于STAR-CCM+软件,采用RANS法进行了叶尖小翼气动特性的研究。通过与Bladed计算结果进行对比,验证了此方法的可行性,在此基础上,研究了小翼扭角对叶片三维流场数值计算结果的影响。叶尖小翼减弱了叶尖附近的流动分离现象,增大了叶片压力面与吸力面之间的压差,从而提升了风力机的输出功率。当小翼其他设计参数相同时,负扭角对风力机性能的提升效果优于正扭角,小扭角对风力机性能的提升效果优于大扭角。总体上,小翼扭角对风力机功率和推力的影响较小,当风速相同时,功率增长率最大差值小于0.7%,推力增长率最大差值小于1%。

尾流算法与风向变化对海上风机排布影响研究

[目的]为了获得海上风场的最优机位排布方案,提升海上项目在全生命周期内的经济收益,必须对影响发电量的关键因素做详细分析。[方法]结合海上风场工程项目的实际案例,基于自主开发的海上机位自动优化算法,分别应用Jensen和Larsen两种单机组尾流模型的技术理论,对比了多机组间三种不同的尾流组合叠加方式,并考虑了风向年际变化对现有机组排布的影响,给出了对应的最优机位排布方案。[结果]计算结果显示:海上风向的年际变化是影响机位排布的关键因素,使用不同尾流模型对机位排布的影响较小,多机组间尾流叠加方式对机位排布没有影响。[结论]研究成果为工程项目中最优机位排布的选择提供了关键依据,避免了风场25年全生命周期内上亿元的经济损失。

基于CFD的复杂地形风电机组机位微地形风资源数值模拟研究

[目的]在复杂地形进行风电机组建设时,机位点周围易形成高边坡地形,改变了风资源分布特征,影响机组发电量和安全性能,文章旨在研究高边坡地形的影响因素和预防其对机组的危害。[方法]基于STAR-CCM+软件平台对实际风电场机组高边坡地形进行了数值模拟,分析了立机位置选择、坡度、开挖深度等因素对机位处风资源参数的影响。[结果]结果表明:高边坡改变了原地形风的加速效应,产生大幅度的流体分离。当高边坡位于机组上风向时,机组下叶尖易产生较大的风切变,湍流强度超标,而高边坡在机组下风向时,机位处风资源参数则正常;高边坡的坡度大小对坡前立机风参数无显著影响;当下叶尖高度低于边坡高度时,机组位置下叶尖风速很小,切变值易超标。[结论]分析结果可为高边坡地形机组施工平台设计和塔筒高度选择提供参考。

风力发电机组液态阻尼器减振设计研究

风电机组的大型化发展趋势伴随着叶片加长、塔筒增高会产生塔筒与叶轮共振、塔筒涡激振动现象,从而引发安全风险。为抑制机组振动,文章提出了一种3柱液态阻尼器减振装置。首先,基于STAR-CCM+软件计算阻尼器的最佳抑振设计水位;然后,对低阻尼下机组减振效果进行数值模拟,并通过风电场实地测试对阻尼器抑振效果进行验证。验证结果表明,阻尼器最佳装液高度为6.2 m,仿真计算的液柱频率与实际测量值吻合;流固耦合仿真计算得到的阻尼器减振效果与测试结果基本一致,现场实测减振幅度达到24.4%,证明了所述阻尼器对抑制高塔筒风电机组振动有显著作用。

扰流板对风电机组叶片三维气动性能影响的研究

对于风电机组叶片,由于大型叶片根部翼型较厚,易出现流动分离现象,为了提高叶片气动性能,利用雷诺平均方程(RANS),采用SST k-ω湍流模型进行了叶片三维气动性能的仿真模拟,并与Bladed软件的计算值进行对比,验证了该方法的可行性。仿真模拟结果显示:叶片根部压力面和吸力面压力曲线交叉,严重影响了叶片轴端的输出功率,而安装扰流板的叶片根部压力面流体速度呈梯度下降,压力增大,同时提高了吸力面的流速,从而增大了叶片两面的压力差。在低于额定风速条件下,扰流板可以提高叶片轴端的输出功率2.3%~2.5%,推力增长仅为2.0%;扰流板安装高度越高,其轴端输出功率提升效果越好。

大直径单桩振动水动力阻尼研究

如今,设计一款高效可靠的海上风机是一项重要的挑战,海上风电机组的阻尼可以限制风机在发生共振时的动力响应,在风机设计中扮演重要角色。因此,精确预测海上风机的阻尼对于系统设计是必须的。水动力阻尼是海上风电机组的阻尼来源之一,包含辐射阻尼和粘性阻尼。重点研究了单桩振动时水动力阻尼计算方法和其影响因素的敏感性。结果表明,理论方法与CFD-CSD方法计算的阻尼比数值精度相当。单桩受到的粘性阻尼一般很小,可以忽略;当一阶固有频率达到2时,辐射阻尼对直径的敏感度降低,即随着直径增大,辐射阻尼比仅略微增大。吃水一定,对于给定的单桩直径,存在一个频率使辐射阻尼比达到最大。

探究海上大气稳定度对不同高层环境湍流强度的影响

为探究海面上空大气稳定度对环境湍流的影响,文章基于海上测风塔数据对南海近海区域一个完整年下的稳定度变化影响的环境湍流进行分析,结果表明:一年的统计结果显示,正午时分的平均湍流更高;相对于中性大气条件,极度稳定或极度不稳定大气均会使环境湍流水平升高;自中性稳定大气向不稳定大气发展,在一定范围内,不同高层湍流呈k=-0.04的斜率线性增长;相比稳定大气,不稳定大气下各高度层湍流水平更接近。

渔业网衣完整性计算方法研究

针对如何在水产养殖装备设计阶段评估网衣系统完整性,保证渔业生产安全,给出了一种网衣完整性计算方法。在保证群化精度条件下,利用网目群化方法建立数值网衣模型,并将群化模型和AquaSim软件的计算结果进行了对比,验证了该方法的准确性。在此基础上对极端工况下网衣完整性关键影响因素作了分析,包括网目形状、固定方式2种类别型变量,以及网目长度、网线线径、纲绳线径、横纲间距4种连续型变量,对连续型变量作了相关性分析,采用多元回归分析方法拟合得到网衣完整性快速评估模型并进行了验证。结果表明,在结合实际工程情况下对网衣结构设计变量进行试验设计和多元回归分析,实现网衣系统完整性评估是可行的。