基于锥角控制的下风向风力机功率调节策略

针对中小型下风向风力机开展了功率调节策略研究.首先,对100 W下风向风力机进行了仿真计算和风洞实验,探究了下风向风力机的气动性能;然后,分析了风轮锥角对风力机输出功率和叶根载荷的影响机制,归纳出输出功率与锥角余弦值的三次方正相关,叶根载荷与锥角余弦值的平方正相关;最后,形成了一套基于锥角控制的下风向风力机功率主/被动调节策略.研究结果表明:采用主动调节策略可在超额定风速运行时有效控制风轮输出功率,并可使叶根载荷极值降低14.2%;较控制前,采用被动调节策略可使得在超额定风速运行时,输出功率与额定功率的平均偏差减小20.84 W.两种调节策略皆可实现超额定风速运行时下风向风力机输出功率的有效控制.

空间分割全局灵敏度方法研究及其在风机叶片极限载荷工况中的应用

全局灵敏度分析,旨在考量结构系统中各输入随机变量对输出响应不确定性及风险水平影响的重要度。它能为后续的可靠度评估、故障诊断、系统设计、预测及优化等提供重要参考。尽管各类全局灵敏度分析方法不断涌现,但高维复杂结构(如风机叶片结构)灵敏度分析仍是目前的难题。该文针对空间分割全局灵敏度分析方法的三种可能计算形式及最优分割方案展开研究,通过标准算例分析和误差理论推导,提出能充分利用样本信息、有效减轻计算负担的求解形式及分割方案,并将其应用于风机叶片极限载荷工况下的全局灵敏度分析中,同时为未来设计更为高效、经济和可靠的风机结构提供参考。

基于鲸鱼优化算法的串列风力机主动尾流控制策略

主动尾流控制技术通过协调风电场中每台风力机的运行状态,降低上游机组尾流对下游机组的负面影响,进而提高整场发电功率。为探究尾流控制的规律,以10台串列排布的风力机为研究对象,采用Jensen尾流模型与平方和叠加模型计算尾流速度分布,通过鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)优化风力机的轴向诱导因子分布,并与粒子群优化算法(particle swarm optimization algorithm,PSO)对比。研究结果显示:WOA优化效果更好,收敛速度更快,使风电场输出功率提高了5.63%~42.76%;轴向诱导因子的分布规律和风电场输出功率的优化效果受入流风速影响较小,受风力机的数量及流向间距影响较大。

基于各项异性多项式分布的风力机三维尾流模型

针对风切变效应及风切变与均匀流的风速差产生的质量亏损,本文提出了一种更先进的三维尾流模型,不同于以往高斯模型,该模型假设速度分布为多项式形状,采用了更加直观的物理尾流边界。此外,考虑到尾流边界的各向异性膨胀,给出了横向和垂向尾流边界扩展率的表达式,这使得该模型仅根据入流风条件及风力机参数即可确定2个方向上的扩展率。通过陆上(I0=13.4%, 9.4%)和海上(I0=6.9%, 4.8%)风况的大涡模拟数据对本文模型的预测精度进行验证研究。与传统模型相比,本文模型能够更好地预测风力机的垂向和横向的尾流分布,最大和最小误差均最小。

考虑叶片影响的风力机塔筒双自由度涡激振动研究

研究叶片影响下风力机塔筒的涡激振动特性。首先,基于计算流体力学(CFD)方法、结构动力学理论以及重叠网格技术,建立塔筒结构的双自由度涡激振动仿真模型,通过与文献试验数据对比,验证模型的准确与适用性。并将该模型用于分析NREL 5 MW风力机塔筒与叶片的双自由度涡激振动。结果表明,采用重叠网格技术和CFD方法相结合,规避了由结构较大振幅所引发的网格畸变和负网格问题,获得了较高的计算精度。相比单塔筒振动工况,考虑叶片对塔筒影响后,两者的尾涡相互干扰与合并现象明显,导致塔筒的双自由运动更为复杂。在约化速度3~11范围内,塔筒横向最大振幅响应约为单塔筒工况的10倍,且振动频率出现“锁定”。

停机时风力机塔筒与叶片的涡激机理

大型化风力机存在塔筒与叶片的脱落涡相互诱导的现象,极大影响机组的安全运行。为探究两者涡激互扰特性,该文以NREL 5 MW风力机为研究对象,分别选取距离地面65、70、75和80 m高度的塔筒与叶片共存的二维截面,开展6、8、10、12与14 m/s风况下数值模拟,并与单塔筒工况计算结果进行对比分析。研究结果表明,叶片与塔筒的尾涡存在严重相互诱导干涉;与单塔筒绕流工况相比,塔筒特定点压力值增长了1.5倍,升力系数出现多个响应幅值且其最大约为单塔筒的6倍;塔筒与叶片尾涡出现相互合并且脱落频率一致,涡激作用增强;塔筒-叶片工况下的涡脱频率较单塔筒降低,更易与风力机低阶固有频率出现交叉,风力机极可能出现共振。

涡流发生器安装参数对风力机翼段动态失速影响

基于k-ωSST湍流模型,对安装不同间距z和安装角αvg涡流发生器(VGs)的DU91-W2-250风力机翼段的动态失速过程进行数值研究。翼段做典型的正弦俯仰振荡运动,探究该过程中VGs安装参数对风力机翼段流动控制效果的影响。研究结果表明:改变z对气动影响非常小,改变αvg的影响较大;当z=6~8 mm,αvg=13.4°~16.4°时VGs改善翼段气动性能的效果较好;流向涡强度是影响VGs流动控制效果的一个主要因素。

大型风力机塔筒与叶片涡激共振机理研究

大型风力机组停机状态下,塔筒与顺桨叶片尾涡干涉严重,进而产生叶片和塔筒的涡激共振现象,严重影响风力机可靠性。本文以NREL 5 MW风力机为研究对象,采用CFD与有限元方法,分别针对其流场与结构进行数值模拟计算,分析不同来流风速下叶片与塔筒一体化模型的模态频率与振型、尾涡形态与其脱落频率、以及表面压力变化特性。研究结果表明:风力机一体化模型的固有频率基频较小,低阶振型主要为风力机整体的摆振,高阶振型开始出现叶片的挥舞、摆振与扭转;在65~80 m高度区域内、8~12 m/s来流条件下,叶片与塔筒尾涡脱落存在尾涡合并现象,风速越大,合并现象愈明显,尾涡脱落频率也越高;10 m/s与12 m/s速度下,尾涡脱落频率与风力机固有频率较为接近,风力机易出现涡激共振现象。

风力机三维卷吸尾流模型的研究与验证

一维线性卷吸尾流模型(LE,linear entrainment)基于质量守恒和动量守恒建立,这有利于提高尾流预测精度,但其假设尾流呈顶帽形状分布。采用余弦形状来修正尾流速度的径向分布,湍流强度经验公式来修正尾流模型,提出二维余弦LE尾流模型(2DCLE,two-dimensional cosine linear entrainment);然后,考虑风切变影响,将二维模型拓展到了三维模型(3DCLE,three-dimensional cosine linear entrainment)。通过风洞试验和2个外场试验案例验证三维模型的精度。研究结果显示,与传统模型相比,3DCLE模型能够更加精准地预测横向和垂向的尾流速度亏损,最大误差和最小误差均最小。

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型(3DG-k)。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型(3DG)及三维椭圆高斯模型(3DEG)进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。

垂直轴风力机三维尾流模型的研究

基于流量守恒,提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型,该模型考虑了风切变效应,并采用多元高斯分布。首先,通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证,结果表明在x/D> 3的远尾流区,横向剖面的相对误差小于2%,垂向剖面的相对误差小于3%。然后,从下游4个位置(x/D=3、6、9、12)、3种推力系数(C_(T)=0.6、0.7、0.8)、4种风切变指数(α=0、0.1、0.15、0.2)、两种湍流强度(I_(0)=5%、8.3%)下演示了一系列预测结果,结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响,该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化,有利于提高风电场的功率输出。

超疏水表面的制备及多功能化

超疏水表面的研究在近年来受到人们的高度重视。对于表面润湿性研究的经典理论指出了液体对于表面的润湿行为取决于固体表面能及表面粗糙程度。对于自然界中超疏水表面的研究给了人们制备超疏水表面的关键在于控制表面微纳结构的启示。基于此人们发展出了各种制备具有微纳结构的粗糙表面的方法。通过选择具有适当表面能的材料以及精细控制表面结构从而实现对于表面的各种多功能化。

高校在线教育的教学质量提高方法

随着信息网络快速发展,教育信息化呈现出良好发展态势,这也为高校在线教育创造了良好的体验,但在线教育中依然存在着待完善的问题,直接导致在线教育的教学质量不高。本文为此进行了研究和探讨,简要分析了高校在线教育的教学现状,重点从教师的角度出发对问题进行梳理,结合本人的教学经历就如何科学、有效、系统运用课程信息化,提升在线教学质量,提出了一些有针对性的优化措施,旨在促进高校在线教学实现完善提供参考和借鉴。

手征三体力与原子核第一性原理研究

从第一性原理(ab initio)出发研究原子核已经成为当今理论核物理领域的前沿方向,它不仅能够提供高精度的计算结果与可靠的理论预言,而且能够在有效场论的基础上建立起与底层基本理论(量子色动力学-QCD)联系的桥梁.近年来,随着手征核力与量子多体理论的发展与完善,以及新一代超级计算机的不断涌现,原子核第一性原理研究取得了令人瞩目的成就.一方面,在手征有效场论框架下构建起来的核力能够高精度地复现核子-核子散射数据;另一方面,先进的量子多体方法已经能够将第一性原理计算的边界从轻核区推向中重质量核区、从深束缚的稳定核推向滴线区的不稳定核.最近10余年,我们在手征核力和量子多体方法两个方面开展了深入的研究,特别是,手征三体力与连续谱耦合效应.作为手征核力的重要成分,三体力对有限核与核物质的理论描述有着广泛和重要的影响,而连续谱效应则对滴线区原子核的理论计算非常关键.本文综述了我们在手征三体力和含连续谱第一性原理研究方面所取得的进展.

复合材料风力机叶片参数化设计及优化

风力机叶片重量过大不仅会影响叶片的结构性能,还会增加运输、维修等成本。为解决叶片质量问题,本文选取经典的1.5 MW复合材料风力机叶片,叶片主梁、腹板、前缘和后缘分区铺设不同的复合材料。由于复合材料的铺设厚度从叶根向叶尖呈现递减趋势,且失效位置也多位于叶根处,故取距离叶根约1/3部分为研究对象来简化问题。为便于后期优化,采用ANSYS APDL参数化构建复合材料风力机叶片模型。考虑到陷入局部最优的情况,选择子集模拟优化方法进行随机优化。设计变量为腹板位置,约束函数为极限载荷下叶片满足位移及Tsai-Wu准则校核,目标为叶片重量最小。通过30组子集模拟优化统计结果可知:当腹板位置约在29.4%、53.3%弦长处时,相较于确定性设计,叶片减重约15.4%。最终结果表明,该优化方法在风力机叶片结构优化方面具有可行性,且优化结果对工程设计具有参考价值。

原子核的第一性原理计算

最近十余年,由于手征有效场论和量子多体理论的发展以及计算机能力的提升,原子核的第一性原理计算取得了较大的进展.另外,由于加速器设备和探测技术的发展,实验研究接近越来越多的滴线核,观测到一些新现象、新规律.这些实验新结果为理论模型的发展提供了很好的机遇,但也带来了巨大的挑战.本文回顾我们利用第一性原理计算的原子核结构,概述我们发展的手征有效场论三体力、含共振与连续态的第一性原理Gamow量子多体理论方法,讨论滴线位置、滴线区原子核壳演化以及三体力在滴线核区的作用.

现实核力Gamow壳模型计算丰中子碳同位素

远离β稳定线的弱束缚原子核存在很多奇特的现象,已成为当前核物理研究的热点.在通过理论描述这些非稳定区域时,束缚态、共振态与连续态的耦合效应变得尤为突出.与此同时,很多工作也表明了三体力在计算原子核结构时的重要性.本文以丰中子碳同位素为研究对象,采用现实核力Gamow壳模型,从手征有效场论的N^3LO两体与N^2LO三体核力出发,同时考虑束缚态、共振态与连续态,计算了碳同位素基态与第一个2^+激发态的位置.我们的计算给出了正确的滴线位置,验证了氧同位素中子数N=14的壳结构在碳同位素中消失的现象,同时预言了N=16的壳结构.我们将包含与不包含三体力的计算结果进行了比较,显示出三体力对于描述滴线区原子核的重要性.此外,三体力的引入还可以升高第一个2^+激发态的位置,得到与实验更加符合的激发态能量.

基于格点有效场论的原子核电荷半径微扰计算

原子核格点有效场论(Nuclear Lattice Effective Field Theory)是近些年发展起来的一种高精度原子核第一性原理计算方法。它将手征有效场论与格点量子蒙特卡罗方法有机结合起来,能够在统一的理论框架下构建核力与求解量子多体问题。近年来新发展出来的波函数匹配(wave function matching)方法与微扰量子蒙特卡罗方法(perturbative quantum Monte Carlo method)为解决著名的“符号问题”开辟了全新的路径。本工作在这些方法的基础上,通过计算两点关联函数发展出格点上电荷半径的微扰计算方法,验证计算表明了本工作的可靠性。使用手征N^(3)LO核力的计算能够很好地复现^(4)He、^(12)C与^(16)O的实验测量结果。

格点有效场论中轻核性质的重整化群不变性

格点有效场论是原子核第一性原理计算的重要方法之一.它将手征有效场论与蒙特卡罗方法结合,从单核子自由度出发严格求解原子核多体问题.实际计算中,人们需要对手征有效核力进行正规化,引入有限的动量截断以消除发散.原则上最终计算结果应不依赖于人为设定的截断尺度,换言之,有效场论计算应具有重整化群不变性.但与此预期相反,近年来很多使用手征有效核力的计算中,发现结果较敏感地依赖于动量截断.本文将结合近年来发展的微扰量子蒙卡方法,基于格点有效场论,研究动量截断对^(3)H,^(4)He与^(16)O基态性质的影响.针对不同的动量截断构造了对应的手征核力,系统计算了这些原子核的基态能量、基态电荷分布与均方根半径.我们发现相比常用的非定域正规化方案,本文所使用的格点正规化方案能够很好地消除结果的动量截断依赖性.