风力机最佳攻角与最大升阻比攻角非等同性研究

为提高风力机风能利用率,追求最大风能利用系数,对水平轴风力机最佳攻角与最大升阻比攻角的非等同性进行了理论分析,并采用叶素动量理论对其进行实例论证,以及通过计算流体力学(CFD)对结论进行仿真验证。研究结果表明,二者具有非等同性,最佳攻角略大于最大升阻比攻角,处于最佳工作点的风力机具有更高的风能利用系数,同时具有最大的速度比阈值区间。研究进一步发现,对于目前工作于最大升阻比攻角状态的风力机,通过减小叶尖速比的方式可以使其过渡到最佳攻角状态。

基于风洞试验的圆弧形硬帆最佳攻角

由于风帆在什么攻角下对船舶产生的推力最大,且对船舶稳性的影响最小是衡量风帆性能的重要因素,因此对最佳风帆攻角进行研究,使控制系统准确地控制风帆,从而使风帆实现最佳的节能减排效果。通过对5种具有优良空气动力性能的圆弧形薄翼硬帆模型进行风洞试验,得到一系列的帆性能参数。通过对这些参数进行分析,得到圆弧形薄翼风帆最佳攻角的规律及风帆最佳操纵曲线,可为风帆的控制提供参考。

微型扑翼飞行器诱导角与几何攻角的研究

基于准稳态模型和动量理论,探讨了微型扑翼飞行器诱导角和最佳几何攻角的计算问题。针对高斯-牛顿法求解诱导角方程时存在的不收敛问题,使用能保证计算过程收敛的列文伯格-马夸尔特算法求解,得到实验样机的诱导角为15°。实验样机的实际升力为40g,忽略诱导角后准稳态模型理论升力为46g,而考虑诱导角的理论升力为37g,验证了计算诱导角可以提高准稳态模型预测升力的准确性。基于实验样机翅膀被动扭转的实际,采用最小二乘法计算出实际最佳几何攻角为55°,能有效指导微型飞行器翅膀的设计,从而提高飞行器最大升力和飞行效率。

H型垂直轴风力机实时高效攻角调节方法研究

叶片攻角是影响垂直轴风轮气动特性最重要的因素之一。针对一种1 kW H型对称翼垂直轴风力机,以获取最大风能利用率为目的,得到了叶片在上风区和下风区应保持的理论最佳攻角分别为10.7°和-10.7°。鉴于现有风轮运行一周过程中,叶片攻角呈类正弦规律变化,未能保持在理论最佳值附近;同时由于风轮上风区和下风区的诱导速度分布规律不同,故提出采用分风区的方法研究实时高效攻角调节规律。首先利用双致动盘多流管理论计算出上风区叶片攻角的变化情况,建立叶片安装角与攻角的关系,通过调节安装角使叶片攻角在上风区保持在理论最佳值附近。考虑到下风区流场分布复杂,采用数值模拟方法确定下风区各个方位诱导速度的大小和方向。在此基础上,提出风轮下风区局部叶尖速比的概念,建立下风区叶片攻角的精确计算公式,并获得下风区叶片理论最佳攻角的调节策略。最后利用双致动盘多流管理论对提出的上风区和下风区叶片攻角的调节规律进行了验证。计算结果显示:在额定风速下,与原始风轮相比,调节攻角后H型垂直轴风轮的风能利用率提高了11.03%。

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%。

风力机异步变桨的初步研究

针对当前同步变桨距式风力机的变桨特点,总结同步变桨距式风力机缺点,提出要使叶片始终处于最佳升阻比状态必须实现风力机的异步变桨这一观点。通过对风力机组工作状态的理论分析,得出实现这一目标变桨系统所应达到的要求。

关于风力机异步变桨的初步研究

由于存在风速的高度切变,使同步变桨距风力机风轮的各个叶片并非都处于最佳升阻比状态,影响了风力机功率的输出和减少了风力机的使用寿命。通过对风力机叶片的空气动力学分析,提出要使叶片始终处于最佳升阻比的基本原理以及实现这一目标时变桨系统所应达到的要求。