Interaction of a submerged horseshoe vortex with a free surface

In this paper a submerged horseshoe vortex under a free surface is discussed and the algebraic expression of the wave elevation is obtained. From this expression, some characteristics of the ship wave are described. There exists a smooth region nearθ=0°, but when the uniform stream passes the other singularities （source, sink, doublet, etc.） there is no smooth region. The mechanism of synthetic aperture radar （SAR） images of the narrow ship wakes is also explained.

New Progress in Helicopter Rotor Wake Research

Rotor wake analysis,a fundamental research of helicopter technology,has been widely applied for rotor aerodynamic analysis. This paper summarizes the research of different rotor wake models at home and abroad and reviews the development process of rotor wake methods as well as the research achievement obtained in each stage.Then,the new progress of helicopter rotor wake methods is described in detail. It includes constant circulation contours modeling method of rotor wake,pseudo-implicit relaxation iteration and time-accurate solution method,research on aerodynamic interaction characteristics of helicopter rotor/fuselage by wake method,research on the rotor blade-vortex interaction noise and interaction of coaxial rigid rotor aerodynamics by viscous vortex particle method,and application of free wake method to helicopter flight dynamics modeling. In the end,some prospects for the research of helicopter rotor wake method are put forward,which clarifies the ideas for the future development of rotor wake method.

双转子风力机气动建模与控制仿真研究

为研究双转子风力机的气动特性和风能利用率,基于NREL 5 MW和WindPACT 1.5 MW风力机转子,搭建了双转子风力机模型,并进行了功率优化控制仿真。首先,建立了双转子风力机的气动、塔影效应、传动链与发电机模型,在Matlab/Simulink中搭建了双转子风力机模型。其次,基于自由涡尾迹法(Free Vortex Wake, FVW)对双转子风力机流场进行了不同风况下的仿真计算。最后,基于模糊控制设计了双转子风力机功率控制策略,并与PID控制策略进行了比较。结果表明:与CFD相比,FVW计算的流场风速相对误差绝对值小于10%,能够快速动态计算双转子风力机的流场分布;对比不同风况,双转子风力机的风能利用率可提高约24%;模糊控制策略在双转子风力机功率动态响应和抑制功率波动方面改善明显。

平台纵摇对漂浮式风电机组叶片气弹特性的影响研究

海上风电向深远海发展,漂浮式风电机组成为发展方向。漂浮式风电机组存在多自由度平台运动,同时伴随海上多变的风况,叶片的气动特性和结构响应非常复杂。本文基于自由涡尾迹法与模态法建立了漂浮式风电机组叶片气弹模型,对NREL 5MW风电机组叶片的气弹特性进行了模拟,与采用BEM和GDW方法的计算结果进行对比。在对比验证的基础上,采用耦合模型研究了平台纵摇运动下NREL 5MW风电机组叶片气弹特性,结果表明,本文建立的耦合模拟方法可以准确地模拟平台运动下的气动性能与结构动态响应;平台运动会显著增加叶片气动性能的波动,平均功率明显增大,平均推力略有降低;平台运动使叶片表面等效应力发生波动,叶尖变形增大,中内叶展较外叶展更容易受到平台运动的影响。

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素,通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应,但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性,基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型,以NREL 5MW风力机为研究对象,在额定风速条件下,研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上,对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明:风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大,同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小,并加快速度亏损恢复,降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果,使得尾流抬升,作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著,而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下,受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明:随着偏航角的增加,输出功率以二阶余弦函数下降,推力以一阶余弦函数下降;动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°~22°的相移;法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关,三倍频分量与偏航无相关性;其中,风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化.风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响.结果表明:在风剪切入流条件下,随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧,推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大,尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别,波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大.尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.

风力机三维旋转效应模型研究

在NREL phase VI实验数据的基础上,比较6种不同的三维旋转效应模型。6种模型分别与自由涡尾迹方法耦合,计算该算例叶片的气动性能,并比较6种模型计算的差异。三维旋转效应模型能提高自由涡尾迹方法预估风力机气动性能的准确性,且准确度与是否准确地修正叶片径向截面翼型数据直接相关。

张力腿漂浮式风力机的运动响应计算

漂浮式风力机与近海桩基式风力机、陆上风力机差异很大,特别是漂浮平台设计复杂,对仿真工具要求更高。海上风力机除受气动载荷之外,还需进一步考虑海洋环境所施加的各种其他载荷。采用自由涡尾迹方法计算风力机气动性能,分别采用线性波和PM频谱模拟波浪运动并应用Morison方程计算波浪载荷。构建张力腿漂浮平台结构动力学方程,以气动载荷和波浪载荷为激励,得到平台响应,并反馈至气动计算,从而完成气动、结构和水动的耦合计算。最后以大型风力机NH1500为例,对张力腿式海上风力机进行仿真模拟,对比分析来流风速、浪高和波浪入流角对漂浮平台运动和风力机气动性能的影响,采用PM频谱模拟真实海况并计算漂浮式风力机动态响应,为漂浮式风力机设计提供了依据。

大型风力机整机气动弹性响应计算

采用笛卡尔坐标方法描述刚体运动,混合坐标系方法描述弹性体运动和变形,其中弹性变形由模态法表示。通过第一类Lagrange方程推出考虑气动弹性的刚柔混合多体系统的微分-代数方程组,其中代数方程为点和矢量的约束方程。采用Taylor预估、BDF(Backward Differential Formula)校正得到非线性方程组,继而采用Broyden算法求解,从而建立刚柔混合多体系统求解算法。对NH1500风力机进行多体动力学建模,其中机舱、轮毂简化为刚体,塔架、叶片为弹性体,在机舱与轮毂间施加驱动以模拟风力机的定速转动。结合自由涡尾迹的非定常气动力算法,实现考虑气动弹性的大型风力机整机多体动力学响应计算。分析了风剪切和弹性塔架对风力机气动弹性响应的影响,结果表明风剪切会使得叶片振动,而弹性塔架使得风力机响应增加。

基于自由涡尾迹模型的漂浮式风力机气动计算

采用线性多步法和待定系数法建立一个新的三步三阶预估-校正时间步进法,用于自由涡尾迹方法离散涡线对流控制方程,该方法比现有差分格式更稳定,收敛更快。计算修正浮式平台运动对叶片入流和风轮尾迹形状的影响,建立了漂浮式风力机自由涡尾迹模型。采用该模型计算漂浮式风力机的气动性能,并与实验结果进行对比分析。研究结果表明,该模型能够准确地预估风力机稳态气动性能,并能准确地反映漂浮式平台运动对尾迹形状和气动性能的影响。

大型风力机叶片非线性流固耦合模型

基于几何精确梁理论建立叶片的非线性结构模型,基于自由涡尾迹理论建立叶片的非定常流场模型,并采用分区弱耦合方法建立大型风力机的非线性气弹模型。通过与线性模型计算结果对比验证非线性结构模型对线性结果的正确性,采用风洞实验数据验证自由涡尾迹模型的正确性。将该模型应用于NREL 5 MW的仿真计算,计算结果表明,该非线性气弹模型可以用于大型风力机在大载荷情况和考虑非定常流场的条件下的非线性响应仿真。

涡模型对风力机气动特性的影响研究

比较了4种涡模型的诱导速度分布特征,包括两种层流涡模型和两种湍流涡模型。分别将4种涡模型应用至自由涡尾迹方法的尾涡诱导速度计算中,分析涡模型对风力机低速轴扭矩和尾流的影响。研究表明,在大风速下,湍流涡模型更能真实地反映流动状态;各个模型均能较好地捕捉流场结构和叶尖涡,层流涡模型的尾流涡量更集中,但耗散更快,湍流涡模型的涡量分布均匀,且耗散慢;涡模型对风力机近尾迹区域的尾流风速影响,比对远尾迹区域尾流风速的影响大。

复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。

一种风力机气动计算的全自由涡尾迹模型

采用全自由方式建立风力机尾流场的涡尾迹模型,引入"虚拟周期"的概念,并发展一种自适应松弛因子方法,从而改善了自由尾迹迭代的稳定性,提高了迭代收敛速度。利用建立的自由涡尾迹模型,计算了风力机叶片的尾流场结构、气动性能及叶片载荷,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,尖速比越大,自适应松弛因子方法对缩小模型计算时间越有效;全自由涡尾迹模型能准确给出风力机尾流场的结构,包括尾迹的扩张以及叶尖涡和叶根涡的产生、发展和耗散的过程,风轮扭矩与实验数据吻合;叶片载荷分布的计算结果在低风速下与实验值基本一致,但是在大风速下差别较大,说明需要一个准确的失速模型。

基于自由尾迹分析的直升机旋翼下洗流场计算方法

建立一个包含机身影响的旋翼自由尾迹分析模型,以用于实际直升机旋翼和机身组合时的旋翼诱导速度场计算,为火箭导弹发射提供一个旋翼下洗流场计算方法。在该模型中,使用一个卷起桨尖涡模拟尾迹的影响,采用二阶升力线理论代替桨叶的作用,并采用一个源面元模型计入机身对旋翼尾迹的诱导和堵塞等影响;分别以美国佐治亚理工学院和马里兰大学所采用的旋翼/机身组合模型为算例,对多种状态进行计算;将计算的旋翼流场定常和非定常速度与可得到的实验结果进行对比,表明了本方法的有效性。

基于升力面和全自由涡尾迹的风力机气动模型及其参数影响

基于升力面理论,将风力机叶片简化为由分布在叶片中弧面上的一系列等强度涡格,并结合全自由涡尾迹理论,建立了一种新的风力机叶轮气动模型。该气动模型增加了对翼型弯度影响的考虑,并通过全自由涡尾迹得到尾迹的准确的诱导作用。使用该模型对Mexico风洞实验中的三种工况进行了数值计算,对比了叶轮推力、扭矩,及叶片载荷分布的实验和仿真结果。比较了尾迹圈速,初始涡核大小和相对总粘性系数在不同的取值情况下的计算结果,以研究模型中参数对计算结果的影响。通过与实验数据的对比发现,该模型的初始涡核大小的选择对计算结果有比较大的影响,在涡核较大时候会带来结果的大幅偏离,而相对总粘性系数的影响效果较小。因此在使用该模型的时候,需要在选择合适的参数范围内以获取较高的计算精度。

风电机组偏航状态载荷控制

随着低风速风场的不断开发,低风速型风电机组面临叶轮尺寸不断增加和风况更加多变的情况。叶轮尺寸的不断增大带来了叶片柔性的增加,需要更加准确的仿真模型。而风况的多变导致机组长期处于偏航状态,进而导致叶片载荷波动的加剧,对机组寿命产生较大的影响。基于非线性耦合模型,提出了一种独立变桨载荷控制方法。非线性耦合模型采用了几何精确梁和自由涡尾迹方法,更适用于大尺寸叶轮的流固耦合效应的仿真。结果显示,提出的独立变桨控制方法不需要复杂的控制系统和额外的传感系统,即可以获得较好的降载效果。

悬停旋翼的自由尾迹计算

在随桨叶旋转的坐标系中，建立了悬停旋翼自由尾迹计算的迭代方法和模型。文中以两种不同的模型旋翼为算例，对叶尖涡的轴向和径向位置进行了计算，并与已有的试验结果进行了对比，检验了模型的可靠性。运用上述自由尾迹模型，分别研究了不同叶尖马赫数、桨距角和桨叶片数时悬停尾迹形状的变化，表明了旋翼参数对自由尾迹形状的影响。最后，文末给出了一些结论。