IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性

为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以NH 1500 kW大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。

新型水平轴螺旋风力机气动性能分析

为了拓展水平轴风力机的适用范围,采用计算流体力学对2种具有不同旋叶倾角的新型水平轴螺旋风力机及其加装导管后的气动性能进行了三维数值模拟研究.结果表明:相比定角螺旋风力机,变角螺旋风力机在较小尖速比(TSR)时具有更大的功率系数(C_(P));同时,变角螺旋风力机在全TSR范围内具有更小的推力系数(C_(T)),且2种螺旋风力机C_(T)的差异随着TSR的增大而增大;2种螺旋风力机运行时高压区主要集中在轮毂前端、一阶和二阶旋叶的迎风端,低压区主要集中在三阶旋叶的背风端和轮毂后端;变角螺旋风力机前端旋叶的阻塞度相对较低,使其尾流恢复比定角螺旋风力机快;此外,导管可以显著增大2种螺旋风力机的C_(P)和C_(T),并拓宽C_(P)的TSR范围.研究结果揭示了水平轴螺旋风力机的气动特点,为该型风力机的优化设计和推广应用提供了一定的参考依据.

水平轴风力机叶片风雨作用下气动性能分析

基于N-S方程和欧拉-拉格朗日法对NREL 5 MW风机叶片在风雨共同作用下的气动性能展开研究。通过数值模拟不同风速对雨滴轨迹的影响,探究风力机叶片表面在不同风速下的雨滴收集情况和在风雨共同作用下风力机叶片表面的压力分布。结果表明:风速对雨滴在流场中的运动轨迹影响十分显著;无论何种风速,风力机收集到的绝大多数雨滴直径范围为1.75~3.75 mm,占有率在85%左右;相较与纯风场,风力机在风雨共同作用下,雨滴的撞击会增强风力机叶片表面的压力。研究结果可为风机的叶片设计和在风电场中的合适布置提供参考。

叶片前倾15°对水平轴风力机性能影响研究

风能是世界新能源格局中的重要力量,但风能的利用率低,风力发电效率远低于其他发电形式。为此,提出一种改变风力机叶轮倾角的思路:采用NACA0018翼型设计制作两套风力机叶片,分别为无前倾叶片和前倾角为15°的叶片,基于SHDF低速风洞平台对两组叶片分别进行了风力机气动性能实验研究。结果表明:前倾15°叶片随着风速的不断提高,功率和功率系数都有一定上升;在风轮扫掠面积相等和其他条件一致时,前倾15°叶片在实验风速范围内,其性能都优于无前倾叶片,且前倾15°叶片在风速7~10 m/s的情况下优势更加明显。

水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究

动态失速对水平轴风力机的运行性能影响很大,大量的实验和分析显示,水平轴风力机在动态失速工况下其运行载荷将增长50～100%,而风力机翼型的动态失速特性是分析水平轴风力机动态失速特性的基础。本文应用CFD软件Fluent6 0对NRELS809翼型的二维动态流场进行了数值模拟,得到了翼型攻角在9°～31°范围内按正弦周期变化时的绕流流场。计算结果显示:动态失速下翼型的绕流流场与相同工况下的静态绕流流场有着十分明显的差别,同时也引起翼型升力、阻力系数的显著变化。

水平轴风力机尾迹流场PIV实验研究

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用PIV粒子图像测速技术对风轮尾迹流场进行了测量。采用锁相平均测量技术,获得了风轮尾迹流场的瞬时速度场、时均速度场、涡量场等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。实验结果表明:风轮叶片尾缘后侧的尾迹中存在轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后,随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后,尾迹低速区逐渐衰减,轴向速度不断增加,尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后,在向下游发展传播过程中,尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线,涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。由于风力机叶片数少,相邻叶片之间的尾迹基本上不存在互相干扰的现象。

风剪切和动态来流对水平轴风力机尾迹和气动性能的影响

对风剪切和动态来流情况下NREL Phase VI风力机尾迹结构和气动性能进行计算。计算方法采用基于Weissinger-L升力面模型和时间推进自由尾迹模型的涡尾迹方法。应用所建立的方法对轴流工况时风力机的气动性能进行计算,并与实验数据进行比较,验证了模型的有效性。之后对不同来流风,包括稳态风剪切、极端垂直风切变和极端运行阵风时风力机的尾迹结构和气动性能进行计算。结果表明,风剪切使得叶片在旋转周期内经历变化的风速,导致尾迹结构不对称,叶片载荷随时间周期性波动;非稳态来流时,尾迹结构非对称性更明显,载荷波动更大,风力机疲劳载荷增加。计算结果能够为风力机优化设计提供支持。

水平轴风力机叶片稳态失速气动阻尼分析

通过对风力机叶片翼型截面进行稳态气动力分析,同时结合整个叶片的结构动力学模态分析,创建风力机叶片稳态气动阻尼分析模型。从而在准确计算单翼型和单叶片气动阻尼的基础上,建立有效的气动阻尼分析方法,探究影响气动阻尼变化的关键参数。并以容易引发叶片失速振动的负气动阻尼为研究重点,采用典型的叶片模型进行实例计算,进而应用建立的气动阻尼分析方法进行叶片模型参数修正,旨在改善失速工况下的负气动阻尼,从而为风力机叶片的气动优化和抑振设计提供较准确的现实依据。

水平轴风力机尾迹流场试验

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用旋转单斜丝热线在风轮下游进行尾迹流场速度测量。采用周期性采样和锁相平均技术热线测量技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。试验结果表明:风轮下游尾迹区内气流存在明显的三维性。尾迹在向风轮下游的发展传播过程中,尾迹中心形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线。尾迹区内的速度亏损随风轮下游轴向位置的增加而减弱,在气流向下游流动的过程中尾迹速度亏损值逐渐衰减,尾迹区的宽度不断扩大,并逐渐与主流掺混融合。尾迹区内相同轴向位置上不同叶高处的速度型相似。在叶片的尾迹区内,流动的紊流强度大大高于周围的非尾迹区,其中紊流强度径向、切向分量较大,轴向分量最小,尾迹区内的紊流具有高度不均匀性。

风沙环境下水平轴风力机的转矩特性

在保证外场实验风力机风轮几何相似、运动相似的条件下,结合RNGk-ε湍流模型和DPM模型求解三维不可压缩雷诺平均N-S方程,对外场实验机组的缩比模型进行数值计算,采用虚拟风洞的方法研究了风沙环境下模型风轮的转矩特性,得到在某一风速时,模型风轮的转矩随沙尘颗粒粒径和体积分数变化的规律,并通过与洁净空气时风轮的转矩进行对比分析,研究风沙流对风力机输出转矩的影响规律.研究结果表明,风沙环境会引起风轮转矩的增加,风轮转矩随沙尘体积分数的增大先增大后减小,随沙尘颗粒直径的增大,先增大后减小,最后趋于平稳,沙尘颗粒直径对风轮转矩的影响存在一个敏感区域,沙尘体积分数越大,该敏感区域越大;风沙流对风力机叶片的流动状态影响较小,当绕翼型的流动为湍流流动时,沙尘颗粒的存在会加剧流动的紊乱性,当为层流流动时,沙尘颗粒对流动的扰动较小,反映出较好的跟随性.

水平轴风力机叶片疲劳载荷的计算分析

研究水平轴风力机在随机风载荷作用下结构动力响应的数值分析方法,建立基于Palmgren Miner线性累积损伤理论的等效疲劳寿命估计方法。以叶片为研究对象,利用有限元数值分析方法,求得其在随机风载作用下的位移、速度、加速度及应力等。用雨流计数法统计循环参量,将工作循环下的应力水平等效成对称循环下的疲劳载荷谱。并将疲劳载荷通过FE-SAFE疲劳分析模块分析有限元模型的疲劳特性。以某1.5MW水平轴风力机叶片为例,编制Matlab等效疲劳载荷计算仿真程序,并在ANSYS中分析其疲劳特性。

水平轴风力机桨叶二维增升实验研究

探讨了风力机通过在叶片上加襟翼来提高桨叶气动效率、增加功率可行性的实验研究。翼型选用在风力机中应用最多的NACA6 32 2 15 ,攻角范围为 0°～ 40° ,襟翼高度为弦长的 1 0 %、1 5 %、2 0 %、2 5 % ,并在不同襟翼高度条件下比较了不同偏转角 45°、90°、135°的影响。对每种工况测量了叶片表面的压力分布 ,根据压力分布 ,计算翼型的升力和阻力系数。结果表明 :所有工况条件下 ,加襟翼都能够增加升力系数。在Gurney襟翼条件下 ,襟翼的高度越大 ,升力系数越大 ,相应阻力系数也越大。在襟翼高度相同的条件下 ,90°的襟翼增升效果最佳。

水平轴风力机翼型大攻角分离流动的数值模拟

翼型的失速特性是失速调节型水平轴风力机的气动性能分析和颤振分析的基础。许多涉及这类问题的研究大多只给出了翼型刚开始失速时的计算结果。然而在正常运行工况下叶片端部翼型的深失速特性是风力机的最关键的一类问题。通过求解二维非定常、可压的Ｎ－Ｓ方程计算了风力机常用翼型ＮＡＣＡ４４１８的绕流特性。Ｎ－Ｓ方程在贴体坐标系中给出，用Ｐｏｉｓｓｏｎ方程法生成了Ｃ型网格。数值计算中采用了一种改进的ＬＵ－ＳＧＳ格式。将翼型的升阻特性的计算值与实验值进行了比较，两者吻合较好。

水平轴风力机叶片优化设计方法

为避免风力机叶片设计陷入局部最优解,通过Bezier参数化曲线定义叶片弦长及扭角分布规律,采用遗传算法优化曲线控制点位置,以年发电量最大为优化目标,全局寻优叶片外形参数,并与Wilson设计叶片比较。分别计算两种设计叶片在额定风况及变风况下的气动性能,结果表明:通过遗传算法设计的叶片弦长、扭角更小;额定风况下,遗传算法设计叶片推力系数更小,最大功率系数更大;变风况下,两种设计叶片输出功率相差不大,但Wilson设计叶片的叶根弯矩和风轮推力更大,整个工作风速区平均为4.7%和7.3%。

基于时间推进自由尾迹法的水平轴风力机气动特性分析

建立适合于水平轴风力机气动特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用Weissinger-L升力面模型,转子自由尾迹的求解采用时间推进方法,数值求解方法采用4阶Adams-Moulton预估–校正算法以提高计算精度。应用所建立的方法对模型风力机处于轴向来流工况时的尾迹形状和气动特性进行计算,并与文献实验数据进行比较,验证了该方法的有效性。最后计算了来流风偏转和桨叶桨距角增加时尾迹形状的非定常畸变及气动载荷特性,得出一些有意义的结论。

水平轴风力机翼型设计与动态失速数值模拟

利用XFOIL软件对水平轴风力机叶片的参考翼型进行了改进设计,通过数值模拟的方法评估获得:所设计的翼型优于参考翼型,满足设计要求;由于风力机叶片在动态失速时的特性较为复杂,该文针对某一个设计翼型进行了动态失速的数值模拟,使用FLUENT软件编写用户函数,获得漩涡产生、发展和脱落规律,比较翼型在动态和稳态的升力和阻力特性,并提出了考虑失速效果的风轮气动设计和性能改进的意见。

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。

水平轴风力机近尾迹流场结构的实验研究

在风洞开口实验段,应用PIV锁相周期采样技术测试风力机近尾迹速度场,通过分析速度场和涡量场,得到近尾迹流场结构特征。近尾迹中存在具有形态特征强烈的叶尖涡结构向下游不断传播。由风轮旋转轴向外,近尾迹的结构组成依次为中央尾迹区、叶尖涡诱导效应区和外部主流区。在叶尖涡诱导效应区内,涡流诱导效应使流场中存在明显的速度增益区和速度亏损区,且增益区和亏损区关于叶尖涡核中心对称。在研究区域内,叶尖涡向下游运动的轴向位移与尖速比成反比,径向位移与尖速比成正比,使叶尖涡诱导效应区影响范围随尖速比的增加径向扩展、轴向缩小。

水平轴风力机的设计与流场特性数值预测

选用NACA44XX系列翼型,用基于叶素-动量理论的威尔森(Wilson)方法设计一模型风轮.考虑塔架机舱对流场特性的影响,合理地建立整机流动模型.在FLUENT软件中采用大涡模拟方法对该定桨距型的风力机进行三维绕流场的数值预测,得到流动细节与变形的螺旋形尾涡系.分析定桨距风力机的工作特点,并对尾涡变形原因做定性分析.结果表明:粘性耗散与塔架效应是引起尾涡变形的主要原因.

大型水平轴风力机叶片应力特征分析

基于ANSYS软件,对某款1500kW大型水平轴风力机叶片的应力特征进行了分析。该水平轴风力机叶片在极限挥舞载荷的作用下,叶片大梁和叶根的整体应力水平比较高,而剪切腹板和翼板上的整体应力水平比较低,这说明叶片大梁和叶根是叶片的主要承力部件,而剪切腹板和翼板主要作用是维持叶片结构的稳定性。另外,在叶根与剪切腹板相接的角点上存在应力集中现象,其最大应力为228MPa,但是,剔除应力集中点后,叶片大梁上的应力比叶根高,叶片大梁中部约1/3区域的应力都比较高,其最大应力为211MPa,平均应力为180MPa左右。此外,该叶片的最大应力仅为所采用的玻纤/环氧复合材料拉伸强度的34.8%,说明该叶片的铺层结构设计是偏于安全的,可以适当提高叶片挂机运行时的额定发电功率。