一种改进诱导因子计算方法的叶素动量理论体积力模型

叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式,在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题,本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法,并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4~0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比,结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%,且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。

基于改进叶素动量理论的水平轴风电机组气动性能计算

综合考虑到风剪切、塔影效应、三维旋转效应的影响,本文对传统的叶素动量理论(blade element momentum,BEM)进行改进,建立风电机组气动性能计算模型,基于该模型编制计算程序,以商用1.5 MW风电机组为计算实例,计算出其在不同的风速、转速和桨距角配置下的轴向和切向气动荷载分布,以及推力、功率和风能利用系数,与传统BEM模型及风电设计分析软件FOCUS5计算值对比,验证了该模型的正确性和优越性。

基于叶素动量理论的水平轴风力机叶片设计方法

针对叶素动量理论在实际运用中存在的问题,对叶素动量理论进行较系统的分析,认为其有两种计算模型.以模型Ⅰ为例,提出两种计算流程,建立以风轮运行风速范围内风能利用系数最大,以叶片弦长、叶尖速比为设计变量的优化设计模型,计算中考虑分段叶尖损失计算方法.针对8kW水平轴风力机叶片的计算表明,计算方法稳定、可行.根据设计要求,对叶片弦长、叶尖速比进行优化设计.通过计算获得叶片结构参数和叶片性能参数随叶片展向、风速的变化关系,同时获得风力机的最佳运行风速范围.计算结果可为风力机叶片设计和评估提供参考.

基于叶素动量理论的潮流能发电机组叶片设计方法

近年来,海洋能因其分布范围广、储量大及能量密度高而被认为是最具开发潜力的可再生能源。与其他海洋能源相比,潮流能具有着很强的规律性和可预见性;从发电技术层面及能量转化层面综合考虑,海洋潮流能发电是最易实现的海洋能发电技术。潮流能机组的叶片的水动力外形的设计的优劣直接影响能量转换的效率,叶片水动力设计是提高能量转换利用效率最现实有效的办法,本文提出的一种基于叶素动量理论(BEM)的潮流能发电机组的叶片设计方法,并基于BEM设计方法对潮流能叶片水动力外形进行设计,以供相关研发人员参考。

叶素动量理论(BEM)实现方法讨论

基于叶素动量理论的计算模型由一组代数方程组成,在风力机叶片设计中得到广泛应用,常用的计算模型有Schmitz模型、Glauert模型和Wilson模型,由于设计参数之间相互影响给计算过程带来一定困难。通过分析认为确定叶片弦长的分布是实现叶素动量理论设计方法的关键因素。以叶片弦长指数分布规律为例介绍了叶素动量理论的实施步骤。对小型风力机叶片设计计算表明,该方法能够满足设计要求,风轮可获得较高的风能利用系数。

基于叶素-动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析

运用简化风车理论对水轮机叶片进行设计,基于叶素-动量(BEM)理论,采用Glauert修正,计算水轮机在不同工况下功率、转矩等水动力性能,得到不同工况下水轮机性能曲线;在风浪流水槽中进行模型试验,对叶素动量理论计算结果进行验证,为水轮机性能分析提供理论支持。

基于叶素-动量理论的冷却风扇风量计算方法

将风力机经典叶素-动量理论应用于车用轴流式冷却风扇,建立了冷却风扇几何参数、风扇转速与风量的关系理论模型.该模型根据冷却风扇与风力机能量转换的差异,对经典叶素-动量在叶素载荷方向、出入口边界条件等方面进行了修正.随后,基于实验测量和计算流体力学的方法对风扇风量理论计算模型进行了验证.结果表明,风扇风量的理论计算方法不仅能够反映风量随风扇转速的变化规律,且具备较高的计算精度.在该模型中,理论算法与实验结果的平均相对误差为3. 57%,与计算流体力学所得结果的平均相对误差为5. 03%.

基于叶素动量复合理论的小型风力机设计与实验

利用叶素动量复合理论设计开发了在低转速下具有高输出力矩的小型水平轴螺旋桨式风力机。同时,自行编制了风力机设计程序,并根据模拟计算结果设计制作了一台具有6枚叶片的小型风力机风轮模型,在不同风速下进行了风洞实验,测试了风力机的输出力矩和功率性能,并将实验结果进行了分析。

基于叶素理论的2MW风力发电机叶片外形设计及气动分析

风力发电机叶片是风力发电机组的关键零部件之一,其气动性能在很大程度上决定了风力发电机组运行的可靠性。根据动量-叶素理论,采用Wilson设计方法设计叶片气动布局,以获得叶片气动数学模型。同时,通过对叶片的气动性能分析验证了该设计方法的有效性。研究结果为提高风力发电机发电效率、降低故障率提供了一定的理论基础,也为工程实践时叶片的选型提供了参考。

涵道螺旋桨多工况设计

单一工况下设计的涵道螺旋桨通常不能满足垂直起降飞机的多工况高效需求。基于叶素动量理论可以开展涵道螺旋桨多工况设计,其关键在于不同工况下螺旋桨拉力占比、修正来流速度的计算。在无螺旋桨几何的情况下,采用动量源方法对涵道拉力进行估算,提出了修正来流速度的计算方法,基于最小能量损失原则建立螺旋桨几何,采用多重参考系方法进行耦合计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)修正,得到单一工况下弦长扭转角关系、螺旋桨拉力占比以及修正来流速度。通过改变设计升力系数及转速,使不同工况下涵道螺旋桨的弦长及扭转角相匹配。分析结果表明,动量源方法计算的涵道拉力占比较大,来流速度修正方法可减少相同工况下耦合CFD求解计算量。多工况设计可有效提高涵道螺旋桨的综合效率。

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。

洁净与覆冰条件下风力发电机输出功率计算方法及现场试验验证

高海拔地区风能资源丰富,然而建设于此的风力发电机面临严重覆冰问题。覆冰会破坏叶片气动结构,造成输出功率损失,影响供电质量。了解不同工况下的风力发电机输出功率情况,有助于电力部门进行合理的电力调度。该文提出了一种适用于洁净和覆冰条件下的风力发电机输出功率计算方法。该方法以叶素动量理论为基础,同时引入二维计算流体动力学(CFD)仿真方法来计算叶素的升力与阻力系数。将计算结果与现场试验运行结果对比发现,该计算方法可以在工程应用允许的误差范围内获得风力发电机的输出功率。此外,通过比较基于该方法获得的关键气动参数在不同风速下沿叶片翼展方向的分布发现,冰层的存在会降低叶片对风能的利用率,减小叶片旋转扭矩,从而导致输出功率降低;并且随着风速的增加,覆冰所带来的负面影响更加明显。

基于BEM理论的双转子水平轴潮流能水轮机叶片设计

基于叶素-动量理论,采用Wilson修正计算模型,编写了叶片优化计算的MATLAB程序,获得了计算弦长和扭转角,并进行了修正;通过坐标变换可得出叶片截面的空间坐标,导入Pro/E中,从而实现了叶片及叶轮的程序化设计和三维造型;采用双转子结构应对潮流周期性往复运动的特点,提高了潮流能的利用率,且结构简单,便于应用。

水沙环境对海流能机组水动性能的影响

为了探究水沙环境下海流能机组的水动特性,首先采用CFD-DPM模型仿真沙粒对120 kW海流能叶片翼型升阻力系数的影响,再基于叶素动量理论(BEM,blade element momentum)计算水沙环境下120 kW海流能机组的捕获功率,最后从叶片设计的角度出发,提出了为能充分利用沙粒对海流能机组功率的促进作用以及尽量减小沙粒对海流能机组功率的削弱的方法。研究结果表明:当颗粒直径为20μm时,随着沙粒质量浓度的增加,沙粒能够促使海流能机组功率提升,当颗粒直径为2 500μm时,海流能机组功率因沙粒的存在而被削弱;随着翼型攻角增大,翼型升力系数增大,颗粒对翼型升阻力系数的影响程度增强,升阻力系数的变化量增加;小升力系数的翼型可以充分利用小直径颗粒对机组的功率提升,也可以降低大直径颗粒造成的机组功率削弱。

基于等效建模的风电机组增功技改快速评估方法研究

针对当前风电机组增功技改中存在获取建模参数困难,所建模型精确度不高的问题,提出一种基于等效建模的风电机组增功技改的快速评估方法。采用基于SCADA数据概率统计方法,建立了风电机组控制参数模型;基于翼型数据库与叶素动量理论,建立了叶片基本几何模型,采用优化算法,以风电机组特性曲线为目标进行模型优化。利用NREL5MW风电机组对等效建模方法进行验证,得出功率与推力曲线吻合很好。对某2MW风电机组进行等效建模,在等效模型的基础上研究了叶尖加长方法,并对加长的效果进行了气动评估,结果表明通过SCADA数据获取的参数能更好地符合实际机组的运行情况,等效模型能准确模拟出原模型的气动特性,叶尖加长后能显著提高风电机组的年发电量,具有较好的经济效益,是解决风电机组发电效率低、经济效益差的有效方法。

大尺度风轮高精度CFD缩比模型构建及其分析

针对大功率风电机组气动分析过程中叶素动量(BEM)理论计算精度不高、三维计算流体力学(CFD)仿真分析计算时间长的问题,以某5 MW风电叶片翼型数据为参考,分析不同风轮尺度下BEM与CFD的计算精度和效率;基于几何相似、运动相似和动力相似理论,推导缩比模型与原型之间的几何、运动、力学参数的比例关系,比较不同几何比例尺下风电叶片的气动性能;以几何比例尺为参考,建立大尺度风轮高精度缩比模型,分析多种工况下缩比模型CFD仿真的计算精度与效率。研究结果表明:风轮尺度越大,CFD与BEM分析的结果相对差值越大,多种工况下大尺度风轮缩比模型气动性能基本与原型保持一致,但计算效率获得大幅提升。

剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力分析

为研究剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力问题,本文采用叶素动量理论与动态入流模型相结合的方法,考虑相对入流速度的时域变化,计算了不同剪切率下水轮机的各水动力系数,探究了剪切率对潮流能水平轴水轮机的水动力载荷特性的影响规律。经验证,数值模型与CFD模拟结果吻合良好。结果表明:一定范围内,同一速比下,剪切率对时均轴向力系数的影响不明显,对时均功率系数的影响大约以最优速比为分界,高速比时剪切率越大,功率系数越大,低速比时关系不明显;水动力系数的波动周期与叶轮旋转周期存在倍数关系;水动力系数的幅值与剪切率呈近似线性关系。本文可为剪切流下潮流能水平轴水轮机的载荷分析、设计优化提供有效的预报。

叶片质量不平衡对基础环式风机基础服役性能影响研究

风力发电机叶片长期暴露于恶劣的高空环境,极易产生质量不平衡故障,对风力机的稳定可靠运行影响极大。传统的叶片质量不平衡研究主要集中于对风力发电机组功率和塔筒的分析。基础环式基础广泛应用于风力发电机,在循环荷载作用下易发生损伤破坏。因此,基于叶素动量等理论建立考虑叶片质量不平衡故障的基础环式风机基础服役性能评估模型,模型利用解析方法计算质量失衡叶片对基础造成的附加荷载,结合平衡条件和连续性条件,选用大型有限元软件ABAQUS模拟分析叶片质量不平衡故障对风力机基础应力、疲劳寿命以及侧壁混凝土裂缝发展规律的影响。结果发现:质量失衡叶片在水平方向对风力机基础疲劳寿命的影响最大,叶片质量失衡故障会加快基础混凝土损伤过程,增加基础环的水平度,进而降低风力机基础整体服役的可靠性。此外,建议风力机发生较小叶片质量失衡损伤时通过降低转速维持风力机运行,并定期监测叶片质量失衡比。

水平轴潮流能发电系统能量捕获机构研究

能量捕获机构是水平轴潮流能发电系统的关键部件。在叶素动量理论的基础上设计三叶片结构的潮流能透平装置,采用变速运行的最优叶片设计方法设计叶片的几何特性,在考虑必要的模型修正后建立水动力学性能预测的数字模型,对捕能装置在不同安装角下的性能进行理论预测。预测结果显示捕能装置的水动力学设计是有效的。在实际海况下对捕能装置进行测试,试验结果显示捕能装置工作正常,设计尖速比附近的功率系数达到0.341,验证捕能装置设计方法的有效性。将试验结果与理论预测进行对比发现试验值略低于理论值,但两者总体上比较一致,验证数字预测模型的正确性和有效性。

仿真技术在风力机总体性能分析中的应用

采用叶素动量理论进行风力机气动力学的计算分析,并编制程序,建立风力机ADAMS仿真模型,在MATLAB/simulink下建立风力机传动系统的数学模型;将计算的气动载荷加载到风力机仿真模型上,将传动系统模型同ADAMS进行联结,实现对风力机系统总体性能的联合仿真。仿真数据同国际有名的风力机分析软件计算数据比较表明,该联合仿真方法可以较好的模拟风力机的总体性能。研究为风力机总体性能分析进行了一次有益的探索。