Darrieus垂直轴风力机的双盘面随动流管模型

针对现有垂直轴风力机流管模型中未经充分实验验证的流管假设,提出了一种针对垂直轴风力机的空气动力模型———双盘面随动流管模型.模型整体采用双盘面单流管模型,局部采用随动流管模型,同时考虑了叶片的动态失速效应,并结合了Gormont动态失速模型.其中,双盘面单流管模型假设风轮的上下盘面均具有各自恒定的来流风速;随动流管模型假设叶片的相对局部风场中存在随动流管,流管方向与叶片相对风速方向一致,并随叶片实时运动.在Matlab中建立了模型并进行了系统计算,通过与实验数据的对比分析发现,该模型可较好地预测风力机的整体气动性能.同时研究结果表明:为了较准确地预测风力机在低尖速比范围内的气动性能,动态失速效应是不可忽略的.

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计:聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R_(1)、顶圆半径R_(2)、入口角度α_(1)和出口角度α_(2).设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.

螺旋扭曲升阻复合型垂直轴风力机气动性能分析

提出了一种新型升阻复合型垂直轴风力机。阻力型风轮是由双层典型的萨沃纽斯型风轮组成,而升力型风轮是由螺旋扭曲一定角度的达里厄NACA0018翼型风轮组成。阻力型风轮在内,升力型风轮在外,二者用传动轴和离合器相连接。在低风速时由阻力型风轮带动升力型风轮旋转,高风速时二者各自旋转,互不影响。首先,基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件对其启动及气动性能进行了仿真,分析了风轮表面的压力和风速分布。然后,分别对复合型风力机和单达里厄型风力机的启动风速和输出功率进行了测量。结果表明:复合型风力机的启动风速要小于单达里厄型的启动风速,而输出功率的差别并不大。最后,探讨了单达里厄风力机不同风速下叶尖速比与转矩系数和风能利用率的关系,确定了在叶尖速比为1.9时可将阻力型风轮和升力型风轮分离,在风速为8 m/s且叶尖速比为3时风力机的风能利用率最高,为40.6%。

基于熵产理论的垂直轴风力机顺风向安装距离的研究

针对顺风向垂直轴风力机(Vertical axis wind turbine,VAWT)安装距离问题,采用熵产理论,对VAWT进行模拟,分析了风轮表面的压力、风速和涡场分布。在尾迹区域施加控制面和控制线,研究了熵产分布情况,进一步计算出能量损失系数。结果表明:迎风面的上下缘速度大小不同,造成叶片上下缘出现正负压力;背风面因捕风效果使叶片上缘负压明显,涡量主要分布在叶片前后缘处;不同相位角下,VAWT叶片尾迹区相同距离下的熵产强度分布相似;在相同相位角下,随着尾迹区距离的增加,熵产强度逐渐降低;尾迹区面能量损失系数与线能量损失系数随距离变化基本一致,线能量损失系数结果值较高。在5倍风轮直径尾迹之后,面上能量系数降低到0.01以下。能量损失系数揭示出风能恢复情况,因此在VAWT尾部5倍旋转直径距离处可以获得有效风能。研究可为优化VAWT顺风向安装距离提供理论依据。

三种流动控制方法对H型垂直轴风力机性能影响的对比分析

采用数值模拟的方法,分别以基于NACA0021和NACA0018翼型表面带吸气缝叶片的升力型垂直轴风力机为二维、三维研究对象,研究叶片表面施加吸气对提高升力型(H型)垂直轴风力机叶片做功性能的效果。通过开展二维模拟研究,探究多吸气缝在叶片吸力面上的位置对垂直轴风力机气动性能的影响,并对比研究吸气和吹气这两种常用的主动流动控制方法提升垂直轴风力机风能利用净效率的区别。在此基础上,对叶片表面采用吸气控制的垂直轴风力机进行三维数值模拟分析,并将其获能特性与采用波浪前缘叶片即被动流动控制后的垂直轴风力机的性能进行了比较。结果表明,当多吸气缝位置位于距离叶片前缘10%~15%弦长区域范围内时,能最好地抑制垂直轴风力机叶片表面的流动分离,改善叶片的气动性能。与吹气控制方法相比,叶片表面采用吸气控制后的风力机的风能利用净效率在全叶尖速比下的增幅更加明显;而与波浪前缘控制方法相比,采用吸气控制后风力机风能利用净效率在低尖速比下提升效果更为显著,最大提升幅度可达到140%。该文研究结果表明吸气方式可使垂直轴风力机的效率在较大的运行工况内都有明显提高,与吹气和波浪前缘的方法相比在提升风力机气动性能效果方面更为显著,因此也更具工程应用的潜力和优势。

垂直轴风力机变桨规律及气动性能优化研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于最大切向力原则和Fourier函数,提出了一种适用于不同叶尖速比的变桨策略,即基于最大切向力原则确定最优攻角,进而生成理论变桨规律曲线;同时为保证变桨规律的周期性和便于实施,将理论变桨规律曲线离散成控制点,采用Fourier函数进行二次优化拟合,进而以数值模拟的方式,从垂直轴风力机的静态启动性能及动态输出性能方面研究变桨规律对其气动性能的影响。结果表明,变桨后垂直轴风力机各叶尖速比的功率系数显著提升,且提升效果在叶尖速比较低时尤为显著,最优叶尖速比为1.25,其功率系数峰值提升了13.5%;同时垂直轴风力机各相位角的静态启动性能大幅提升,静态力矩系数最大处较变桨前提升了261.1%。研究结果可为垂直轴风力机的气动性能优化提供参考依据。

复合载荷作用下H型垂直轴风力机叶片结构多目标优化

为改善气动力、离心力和重力等复合载荷作用下的H型垂直轴风力机叶片的结构性能,提出一种多目标优化方法。以质量和最大应力最小为目标,最大变形为约束建立优化模型。通过流固耦合(Fluid-Structure-Interaction,FSI)方法,实现叶片表面压力的实时准确提取,建立复合载荷作用下的叶片有限元模型;基于最优空间填充(Optimal Space-Filling,OSF)方法和Kriging模型建立各变量对应力、质量和变形的响应面模型,进行灵敏度和变化趋势分析;最后采用多目标遗传算法(Multi-Objective Genetic Algorithm,MOGA)获得各变量的最优解,并进行结果验证。结果表明,优化后叶片质量减少了14.7%,各方位角下的最大应力减幅最大为7.8%,最大变形减幅最大为16.7%。研究结果可为复合载荷作用下叶片的结构优化设计提供参考。

带局部运动表面叶片的H型垂直轴风力机非定常流场的DMD模态分析

该文对采用局部运动表面的方法在小尖速比下改善风力机获能效率的效果进行三维数值模拟计算。结果表明,在低叶尖速比下,风力机叶片表面采用局部运动表面流动控制后能够有效抑制叶片表面的流动分离,显著提升风力机的获能效率。通过动力学模态分解(DMD)方法分别对原始风力机和叶片表面施加局部运动表面控制的风力机周围流场的速度场进行模态分解,通过分析对比各模态的流场特征,发现叶片施加主动控制后的风力机尾流中脉动场的能量有明显变化:与风力机主频相近的模态能量得到显著降低,单倍主频和双倍主频的模态能量均有所降低且下降幅度达到60%,脉动流场的高能结构得到有效抑制,从而有助于提高风力机气动性能的同时加快其后部尾迹的恢复。

海上浮式兆瓦级垂直轴风力机风轮结构布局研究

针对兆瓦级海上浮式直叶片垂直轴风力机的风轮结构布局,提出采用基于响应面法的多目标结构优化设计方法对其风轮进行结构布局设计。通过分析风轮支撑臂在复杂环境和载荷作用条件下的力学性能,以准静态解为基础构建垂直轴风轮结构布局多目标优化参数化模型,采用Kriging响应面法求解设计变量与评价指标之间的响应面,明确设计变量的最优取值范围。以风轮整体质量最小化为优化目标,以风轮主要结构的最大等效应力和最大位移为约束条件,采用MOGA遗传算法对风轮结构布局尺寸进行优化设计,优化后风轮结构布局的最优样本方案在满足约束条件的同时,整体质量减轻6.8%,轮毂偏移量减少22.87%,塔筒高度降低33.78%,显著降低了垂直轴风力机整机的制造成本。同时,优化设计后风轮固有频率避开了风轮旋转的1倍转频(1P)和3倍转频(3P)范围,避免了结构共振。研究表明,基于响应面法的多目标优化设计方法在垂直轴风轮结构布局设计上是可靠的。

基于田口方法与CFD相结合的垂直轴风力机优化研究

为了进一步提升垂直轴风力机在低风速复杂城市风场中的捕能效率,采用CFD数值计算和田口试验相结合的方法,研究实度(σ)、桨距角(β)、阻尼(C_(d))和密度比(ρ^(*))对五叶片垂直轴风力机(VAWT)气动性能的影响。将风力机的转动控制方程与流场控制方程联合求解,在数值计算中考虑风力机与流体的相互作用。研究结果表明:实度、桨距角、阻尼和密度比的变化对垂直轴风力机的气动性能有重要影响,在最优的参数组合下,五叶片VAWT的捕能效率可以达到13.537%。此外,通过对田口试验结果的分析,得到所研究的4个特征参数对五叶片VAWT气动性能的影响程度依次为:σ>C_(d)>β>ρ^(*)。

垂直轴风力机叶片翼型选取数值分析

以H型垂直轴风力机为主要研究对象,探索升力型叶片翼型的选取,基于三类九种翼型在风力机运行工况下的仿真结果,分析翼型相对厚度、弯度和翼型种类对于垂直轴风力机风能利用率的影响。通过数值计算分析各因素对于气动性能的影响规律,分析风轮各叶片周围涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明:翼型相对厚度的在一定范围内的增加可以提升风力机性能;翼型弯度的增加则会造成风力机性能下降;水平轴风力机翼型在垂直轴风力机上难以获得理想性能表现,选取翼型时可优先考虑对称翼型。

翼型厚度及风速对垂直轴风力机气动性能影响研究

为研究翼型厚度及风速对垂直轴风力机气动性能的影响,选择NACA2412、NACA2415、NACA2418三种不同厚度翼型的垂直轴风力机在不同风速条件下,基于滑移网格法和剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型对其进行性能仿真研究。通过对比功率系数C_(P)、力矩系数C_(M)及平均功率P,分析了翼型厚度及风速对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明:在低叶尖速比时,增大翼型厚度不仅提高了风力机的功率系数及力矩系数,还增大了风力机高效运行的叶尖速比范围,提高风力机最大功率系数的同时降低了最佳转速。而风速对风力机的输出功率有着较大影响。研究结果可为风力机的结构设计与优化提供参考。

雷诺数和侧风对S型垂直轴风力机气动特性的影响

相较于工作在郊外良好风场的大型风力机,小型风力机易受城市风环境如低风速、高湍流度以及时变风速风向的影响。采用数值模拟手段研究了雷诺数和来流倾角对小型S型垂直轴风力机气动性能的影响。研究结果表明:S型风力机的气动性能对雷诺数不敏感,功率系数几乎不随雷诺数变化;侧风导致S型风力机的气动性能变差,静扭矩系数和功率系数降低,并且随着侧风来流倾角的增大,气动性能越差,侧风影响的流动机理一方面是来流倾角降低了水平速度分量,另一个方面是竖直速度分量减小了前进叶片的压力差,增加回转叶片的压力差,进一步加剧了气动性能的恶化。

Darrieus型垂直轴风力机气动特性研究

本文结合叶素动量算法,研究了Jacobs等人建立的关于达里厄型垂直轴风力机的几种数据库,并进行了研究比对.基于美国桑迪亚国家实验室的现场可靠的实验研究,通过建立在几种数据库上的模拟仿真和实验数据比对,研究表明,叶素动量算法模拟结果可以和大多数的数据库很好的吻合,但是动态失速条件下例外,尤其是在低雷诺数时,原因是对升力系数过低的估算.研究还表明,在不同型号不同转速条件下Jacobs数据曲线更接近于实验曲线,因此,利用叶素动量算法对达里厄型垂直轴风力机进行仿真模拟研究时,应首选Jacobs数据库.

直线翼垂直轴风力机叶片支架对气动性能的影响

为了定性地评价叶片支架对直线翼垂直轴风力机气动性能影响,并得出更准确的计算结果,通过雷诺时均湍流模型(SST k-ω)对垂直轴风力机进行(computational fluid dynamics,CFD)仿真,研究叶片支架对风力机周围流场分布的影响规律,分析风力机在不同方位角下的功率输出性能。研究结果表明:支架使垂直轴风力机的气动性能下降,最大功率系数下降47.5%,主要原因是于大攻角下复杂流动分离现象受叶片支架的影响较大,支架的回转扰动使风轮内部气流的湍流强度增大;在叶片支架安装界面位置,支架使得叶片前缘压力差下降,尾缘的压力差升高;而在风力机叶片中间截面位置,无支架模型与有支架模型压差区别较小且变化趋势相同;随风力机下流域尾流延长,低风速区的面积逐渐扩散,其值先减小后增大;风速在下流域的2倍风轮直径位置处达到最小值,有支架模型比无支架模型产生的风速最小值更高,且有支架模型风速恢复相对较慢。

翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能影响的数值模拟

为了探究翼型与弦长对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响,选择了NACA0018、NACA0026、S809以及S1046四种翼型,40mm、60mm和80mm三种叶片弦长进行研究,其中S809翼型采用正装和反装两种方式。对不同条件下风力机的静态力矩性能以及转速性能进行数值模拟研究。静态力矩性能研究表明,随着叶片弦长的增大,风力机平均静态力矩增大。通过对比不同翼型的结果发现:NACA0026翼型平均静态力矩系数最大且达到稳定时间最短,S809翼型起动性能最差且反装时平均静态力矩系数最小,SI046翼型稳定转速最高。转速性能研究表明,叶片弦长的增大会增大叶片的质量,进而增大转动惯量,使得风力机的起动性能降低。本研究将对直线翼垂直轴风力机的设计提供有益的参考。

几何参数对H型垂直轴风力机气动性能影响的研究

为了研究几何参数对H型垂直轴风力机(H-VAWT)空气动力学性能的影响,以最大限度的提高其风能利用率,采用NACA0015翼型作为H-VAWT的叶片,利用CFD数值模拟方法来预测H-VAWT在工作状态下的空气动力学特性,并通过与实验结果对比来验证CFD数值模拟结果的准确性与可信度。研究结果表明:叶片安装角度为-2°,叶片弦长在0.35m附近时,H-VAWT具有最优的空气动力学特性;H-VAWT在低转数运行下,3叶片且风力机半径为1.2m时,H-VAWT气动特性较好;H-VAWT在高转速运行下,2叶片且风力机半径为1.8m时,H-VAWT气动特性较好。此研究对H型垂直轴风力机叶片翼型气动外形优化设计提供参考依据,具有一定的工程应用价值。

Savonius型垂直轴风力机叶型优化设计

为探索叶型形状对Savonius型垂直轴风力机性能的影响,得到较优叶型以提高其风能利用率,以回旋式Savonius型垂直轴风力机的风轮主体为研究对象,提出了基于三角函数的垂直轴风力机叶型廓线表达方法,并根据该方法设计出两种新型垂直轴风力机叶型。采用CFD数值计算方法来计算优化叶型的功率系数,从功率系数、力矩系数、压力分布、速度分布和涡量分布这5个方面讨论优化叶型较初始叶型的优越性。结果表明:在来流风速为14 m/s的环境中,当叶尖速比为1.3时,风轮最大功率系数值为0.283,提升了约16%,并且在叶尖速比高达1.8时,仍然保持较高的功率系数。本研究对垂直轴风力机叶片选型提供参考依据,对于提高垂直轴风力机的功率特性具有一定的理论意义与工程应用价值。

带有尾缘襟翼的兆瓦级大型垂直轴风力机气动性能优化

垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.

基于BESO算法的大型海洋垂直轴风力机支撑结构优化

大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.