剪切来流下风力机后掠叶片的模态及静力学特性研究

以NREL 5 MW风力机后掠叶片为研究对象,结合复合材料铺层在ANSYS APDL中设计叶片有限元模型,通过CFD方法求解剪切指数为0.2时直叶片和两种后掠叶片(后掠2 m和后掠4 m)在0°和180°方位角下的气动载荷发现后掠4 m叶片在后掠段有明显的降载功能,随后使用ANSYS静力学模块对各叶片进行模态、静力学计算,分析不同后掠叶片的结构特性。结果表明:相较于直叶片,后掠4 m叶片有较好的降载性能,在0°和180°方位角下轴向力在0.8R处最大可降低7.5%和9.1%;随着后掠量的增加,一阶模态频率逐渐减小,一阶频率与3倍基频3P分别相差13.4%,11.9%及10.2%,因此不会发生共振;同一方位角下,后掠4 m叶片的叶尖位移最大,直叶片次之,后掠2 m叶片叶尖位移最小。

基于风速概率分布与风切变指数的直流输电线路离子流场数值模拟方法

特高压直流(UHVDC)输电线路下方的离子流场是电磁环境的重要评估指标之一。风速作为常见也是影响较大的因素之一,有着明显的地域特点。为了避免资源浪费,在对地高度设计时,应考虑到不同地区的风速分布差异,而不是用过大裕度换取安全度。为此,该文提出一种基于风速概率分布与风切变指数的输电线路离子流场数值模拟方法。该方法通过待计算地区的风速数据构建Weibull风速概率分布函数模型,选择风速数据在95%以内的最大临界风速作为参考值,考虑风速传感器的安装高度,根据风切变指数计算场域不同高度处的风速分布,作为离子流场计算中不同高度节点的风速输入量。结果表明,引入风切变指数后的离子流密度与合成电场强度误差分别下降了16.2百分点和3.8百分点,明显优于传统固定风速模型。并以昆明地区某±800kV直流输电线路为例,采用该方法进行了计算。该方法能够有针对性地考虑输电线路所处区域的风速影响,特别是在高海拔高风速地区,可为输电线路在合成电场安全限值下的对地高度设计提供参考依据。

风力机叶片截面主刚度系数与横向剪应力分析

针对风力机复合材料叶片弯曲与扭转刚度计算,以及当叶片在横向剪力作用下对空心薄壁截面上剪应力的数值计算方法进行研究。现代风力机叶片呈细长扭曲形,翼型截面为薄壁且内部拓扑构型复杂,材料具有各向异性。在应用各类梁模型进行叶片气弹计算和强度校核等力学分析时,叶片截面的刚度系数和截面剪应力分布是必需参数。基于复合材料薄壁结构层合理论和加权平均方法,结合Bredt-Batho剪力理论,考虑了复合材料叶片的剪切腹板效应和翘曲效应,建立了复合材料层合板等效弹性常数与截面刚度系数数值分析算法;根据弹性力学板壳理论,考虑横向剪切和截面翘曲对截面变形的影响,建立了横向剪力引起的剪力流数值计算方法,并开发了相关算法的Matlab程序。分析10 MW风力机叶片主刚度系数和剪力流分布,并对比文献结果,验证了模型的正确性和算法的有效性。

基于大涡模拟的大型风力机在剪切来流条件下的尾流研究

来流条件对大型风力机尾流特性影响重大,由于地面摩擦导致来流风在竖直方向有速度差异进而形成剪切风。为研究剪切来流风带来尾流特性变化,采用5 MW风力机作为研究对象,两台大型风力机串列的布置方式,基于大涡模拟(LES),模拟大型风力机不同间距在剪切来流风下尾流特性变化。结果表明:剪切来流风经过风力机,随着串列间距增大,对下游风力机风压扰动减小;且不同间距下,共同特点是轮毂处风压比其他地方更大,轮毂后风速损失较叶轮其他位置更加严重;不同间距工况下,尾流速度恢复处在5D工况相较于所有工况恢复距离最远,甚至在10D处之后才恢复,而8D工况时,在下游9D处恢复,11D工况时,在下游6D处恢复,说明间距越大,尾流速度恢复处位置越近。

扰流板对海上风电单桩基础冲刷特性影响研究

在单独恒定流条件下,以某一海上风电大直径单桩基础为研究对象,提出一种扰流板防冲刷结构,建立三维数值模型。基于数值模拟,研究扰流板结构对桩基础周围局部冲刷的影响机制,探讨扰流板长度L和高度H_(2)对局部马蹄涡位置和强度的影响,分析床面剪切应力受扰流板几何的影响规律。研究发现,扰流板结构能有效地减弱局部马蹄涡强度和减小桩周海床床面剪切应力;局部马蹄涡受扰流板几何的影响呈现3种流动机制;当L/H2=1时,扰流板具有较好的冲刷防护特性。总的来说,扰流板防冲刷结构对单桩基础局部冲刷具有较好的防护效果。

台风“山竹”降水非对称特征及其与环境流场的相互作用研究

基于卫星降水数据和再分析资料,识别了台风“山竹”的降水非对称特征及其与垂直风切变的相关性,并进一步使用WRF模式数值模拟探究了非对称降水引发的热带气旋内部动力过程对环境流场的反馈作用。(1)台风“山竹”降水分布表现出明显的非对称性,强降水主要集中在南侧,而台风的平均风切变指向西南侧,强降水总是位于顺风切变的左侧。(2)台风发展初期风切变指向强降水方位,之后逆时针旋转并不断增大,转至指向南侧时达到最大值,之后逐渐减小。(3)非对称降水位置的改变伴随着非对称风场的改变,并影响着非对称温压场变化,而温压场的变化又进一步改变非对称风和降水,所以台风与环境流场存在着相互影响的反馈关系。

含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象,将切变来流作为入口条件,基于流固耦合原理,分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知,裂纹主要集中于叶根(r/R=0.10截面)和叶中(r/R=0.50截面)后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大,额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大,为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大,为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力,气动载荷则主要作用于叶中,风速越大,叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时,沿弦向分布的裂纹,其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言,若使叶片产生失效,裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2;对于叶中处裂纹而言,若使叶片产生失效,裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。

利用顶部脉冲吸气控制三维方形棱柱气动力

通过风洞实验研究三维柱体顶部前沿狭缝脉冲吸气对其气动力与尾流的控制效果。实验模型为高宽比H/d=5的方柱,均匀来流速度U∞=10 m/s,雷诺数Re=27000,狭缝入口吸气速度与来流风速相同。研究结果表明:相对于无控制工况,脉冲吸气对柱体气动力有明显抑制作用;当脉冲吸气系数f*=0.2时,脉冲吸气与定常吸气对柱体气动力的抑制效果相当;随f*增大,柱体阻力与脉动升力仍有所减小,但减小幅度有限;顶部脉冲吸气不仅能明显削弱柱体顶部附近气动力,而且对柱体中下部气动力抑制效果比定常吸气对柱体气动力抑制效果好;顶部脉冲吸气在自由端剪切流中形成周期性大尺度涡结构,增强了自由流与尾流动量交换。

基于SST模式的超临界条件下梭形柱气动力及流场特性研究

为研究超临界条件下梭形柱的气动力及流场特性,采用剪切应力运输(Shear Stress Transport, SST)模式进行CFD(Computational Fluid Dynamics)数值试验。通过流场性质分析,总结了梭形柱流场分布规律,并讨论了其气动特性形成的机理。首先建立直径为30 cm的圆柱模型,应用Fluent软件模拟其在超临界条件下(Re=7.2×10^(5))的绕流试验。将数值计算结果与已有文献中风洞试验数据对比,验证了数值模拟的合理准确性。然后保持计算参数、网格模型不变,通过改变梭形柱长短轴之比,分别计算不同扁率梭形柱的气动参数。最后通过流场分布特性分析,解释了气动性质变化的机理。通过研究得到以下结论:梭形柱阻力系数平均值、均方差均随梭形柱扁率增加而增加,且阻力系数平均值随扁率成线性增加。给出了阻力系数估算公式,以便快速估算梭形柱阻力系数。升力系数平均值基本维持在0,均方差随扁率先增大后减小。小扁率梭形柱脱涡频率随扁率增加起伏下降,大扁率梭形柱脱涡频率随扁率快速下降。梭形柱的分离角一般在边缘位置,且边缘位置的平均风压系数、脉动风压系数均随扁率增加而增加。

风剪切来流下风力机流场特性与风轮气动载荷研究

以某33 kW两叶片水平轴风力机的风轮为研究对象,采用CFD方法,研究风剪切来流下水平轴风力机流场特性与风轮气动载荷的分布规律。结果表明:在剪切来流下,风轮上游来流风速随方位角的波动曲线偏离由理论计算得到的风速波动曲线;尾流区轴向速度呈现非对称性分布,轮毂上方叶尖涡和叶根涡的移动速度大于轮毂下方叶尖涡和叶根涡的移动速度;同时,风力机叶片和风轮的气动载荷随方位角呈现正余弦的变化趋势,风轮气动载荷功率谱曲线的峰值对应的频率与叶片通过频率的整数倍相关。当风剪切指数由0.1增大到0.5时,风轮转矩和推力的均方根分别减小2.28%和1.43%,但其波动幅值随风剪切指数的增大而增大,并且风轮转矩和推力随方位角的波动曲线存在相位偏移现象,风剪切指数越大,相位偏移现象越明显;风轮偏航力矩和倾覆力矩的均方根分别增大4.07倍和4.04倍,且其波动幅值随风剪切指数的增大而增大。

2005年北京城区两次强冰雹天气的对比分析

冰雹等强对流天气是北京夏季预报和服务的重点,针对2005年发生在北京城区的两次强冰雹天气,利用常规探测和自动站、雷达、风廓线等资料进行天气动力学和中尺度对比分析,结果表明这两次冰雹天气在环流形势、局地气象条件和中尺度系统等方面有明显差异,5月31日的高低空急流配置、能量和风的垂直切变等更有利于强雹暴的发生;超级单体回波是5月31日北京城区降雹的直接影响系统,6月7日为典型的飑线天气过程,两次过程中雹云的发展演变、冰雹的落区与地面中尺度系统都有较好的对应;造成5月31日城区降雹的对流系统为中-γ尺度,6月7日为中-β尺度,因此5月31日冰雹天气的预警难度较大,今后需充分应用高时空分辨率的探测资料做好此类突发性天气的监测和临近预报。

虎门悬索桥桥塔风荷载实验研究

本文介绍虎门悬索桥桥塔的风洞实验结果。在低湍流度的均匀来流和剪切湍流中测量了桥塔的各个空气阻力和阻力矩分量随水平风向变化的结果，并与塔顶带有施工设施的状态进行了比较。

多源精细化资料对皖北地区一次雷暴大风的成因分析

利用高空、地面、雷达、闪电和ECMWF精细化资料,对皖北地区2016年6月30日的雷暴大风天气进行成因分析。结果表明:(1)这次雷暴大风地点在东北冷涡背景下槽线和副高之间,处于西南气流水汽输送带中急流轴的前左侧。伴有气温陡降、气压涌升、湿度增加和降水的天气现象。(2)大风发生前有较强的不稳定性,中层有显著干层,大风发生后对流不稳定能量迅速减弱,干层也随之消失,大气层结趋向稳定。能量、稳定性都与大风有很好的对应关系。(3)大风发生前中层有深厚干层,当雷暴云外的干冷气流被卷入内部后,在云体前部逐渐下沉,伴随的降水物通过干冷气流的蒸发冷却以及经过融化层下的降水粒子的融化蒸发,气流得到继续冷却,有利于下沉气流的不断发展。(4)大风的发生与风暴移动密切相关,随着风暴的移动,雷暴高压也一同前行。伴随下沉运动而来的快速降温,形成了较强的负浮力效应,以及由于降水的重力拖曳,在雷暴高压的局地辐散和低层冷平流的作用下,促使下沉运动的下降速度加快,并且与大气次级环流圈的下沉支结合,低空风切变明显。这些因素共同导致了地面大风。

飞机穿越风切变时的地速/空速控制

为解决飞机穿越风切变过程中控制系统解耦和飞行轨迹的实时 /在线控制问题 ,对飞机纵向三自由度非线性模型 ,运用非线性动态逆方法 ,在风轴系中设计了飞行轨迹的高度变化率 /空速控制模式 ,在地轴系中设计了高度变化率 /地速控制模式 .对 2种控制模式进行比较并将其结合起来 ,得到更加完善的地速 /空速控制律 .

梅雨锋对引发暴雨的中尺度对流系统发生发展影响的研究

针对梅雨锋(湿度锋)上或附近偏南暖湿气流一侧中尺度对流系统不断发生发展和长时间维持而引发长江流域暴雨的观测事实,利用中尺度数值预报模式WRF(V3.1.1)设计了一系列三维理想数值试验,研究了梅雨锋两侧自身水汽差异效应,探讨了基本气流和风垂直切变对梅雨锋上中尺度对流系统发生发展的影响,揭示了梅雨锋对中尺度对流系统的组织作用。结果发现:梅雨锋两侧自身水汽差异造成的质量不平衡可在梅雨锋附近激发出小振幅重力波,在梅雨锋暖湿气流一侧对流层低层产生上升运动,并与非绝热加热过程耦合激发出对流形成一条平行于梅雨锋的对流降雨带,对流系统的尺度一般为20～60km,对流雨带形成后逐渐向南传播,其中对流扰动形成后激发出振幅更大的重力波向南传播以及对流雨带北侧干下沉气流支的低层回流对新对流系统的触发可能在对流雨带的南移中起到重要作用。梅雨锋对其附近的对流有一定的组织作用,对流扰动在梅雨锋附近可发展成尺度为100～200km的中尺度对流系统。对流扰动受到湿度锋在低层组织的偏北气流作用后,它在低层出现辐合,流场结构在垂直方向上发生倾斜,这有利于对流系统的维持和发展。基本气流的平流效应使梅雨锋移动,有利于抵消梅雨锋对流雨带南移效应,它对水汽和能量的输送在梅雨锋中尺度对流系统的发生发展中起到了重要作用。风的方向变化引起的风垂直切变有利于梅雨锋对流的启动和中尺度对流系统的组织,并影响中尺度对流系统的移动方向;而风的大小形成的风垂直切变似乎并不利于梅雨锋上对流的启动和中尺度对流系统的长时间维持。

过山气流低空风切变对野战火箭弹弹道特性影响分析

针对过山气流低空风切变的流动特点,基于位势流动理论,在地面坐标系上建立考虑地面摩擦及背风旋涡的过山气流三维风场分布模型。结合六自由度刚体弹道模型,以某122 mm尾翼火箭弹为例,仿真分析了野战火箭弹在主动段受过山气流风切变影响的弹道特性变化。结果表明,过山气流低空风切变对野战火箭弹的飞行时间、射程、侧偏,落速及角运动均产生较大影响,其中对弹箭横向运动的影响较为显著;风场强度与野战火箭弹受风场的影响程度正相关;野战火箭弹在迎风坡与背风坡发射时,弹道特性的变化规律相反,且背风坡处发射时弹道特性的变化更明显;中低射角范围内,增大野战火箭弹的射角能够降低过山气流低空风切变对射程的影响,但侧偏所受的影响会相应增大。

增压板迎风角对浓缩风能装置流场特性的影响

为提高浓缩风能型风电机组的输出功率,以增压圆弧板及其迎风角为研究对象,对浓缩风能装置内部流场进行仿真分析,并通过车载实验和风洞实验数据验证数值模拟结果的可靠性。结果表明,增压圆弧板可有效提高浓缩风能效率;综合考虑制造成本、流场特性和风切变等因素,增压板迎风角为60°的浓缩风能装置模型流场特性较佳,最大流速是来流风速的2.36倍。

风环境数值模拟中模拟植被的数学模型与应用

在建筑风环境数值模拟中,植被的影响通常不可忽略,而且流经植被覆盖区的湍流流动非常复杂.为此,采用在动量和湍流输运方程中附加源/汇项的方法,结合粗糙壁面率修正,模拟植被绕流效应.首先基于剪切应力输运(shear-stress transport,SST)k(湍动能)-ω(耗散频率)模型,从理论上推导了湍动能耗散频率ω方程的新的附加源项模型;其次,采用数值模拟方法,以一植被挡风墙试验为例,对该模型进行了验证;最后,将模型应用到一高层建筑群风环境的数值模拟优化设计中.结果表明,该模型可以较准确有效地模拟建筑风环境中的植被效应,因而具有一定的理论和实用参考价值.

四川盆地“7·7”极端暴雨事件的多尺度观测分析

利用观测资料对2013年7月7-11日（简称＂7·7＂）发生于四川盆地西部的极端暴雨及局地对流条件进行分析,结果表明：（1）这次持续性暴雨由对流性降水和稳定性降水组成,前期对流明显,小时雨量大,中尺度对流系统云顶亮温低,有冷云区,PPI速度图上有逆风区,45 dBZ以上的强回波厚;中后期稳定性降水明显,小时雨量小,但持续时间长,云顶亮温较高,无冷云区,且回波强度在20-40 dBZ左右,PPI速度图上存在＂牛眼＂结构,暴雨区低层东北风强。（2）对流性与稳定性降水的转换条件与CAPE变化和垂直风切变有关,降水增强（减弱）期,有（无）CAPE值,低层风速小（大）但中高层风速大（大）,垂直风切变较强（弱）。（3）在低空南风较弱和东北风偏强的背景下,地面气旋性流场引起的辐合不仅为暴雨提供水汽,而且中尺度辐合线亦为降水发生提供了抬升机制,尤其是在热力条件和低空水汽输送不利的层结稳定阶段,地面气旋流场显得更加重要。

风沙对低矮建筑整体受力影响的风洞试验研究

通过风洞测力试验,研究了不同沙浓度和风速条件下风沙对低矮建筑整体受力的影响。研究结果表明:和净风工况相比,风沙对低矮建筑整体受力有着较大影响。风沙对低矮建筑平均基底剪力系数有着明显的增大作用,且沙浓度越大,增大的越明显。而对于脉动基底剪力系数的影响,除了与沙浓度有关之外,还与指示风速有关。当风速较小时,风沙增大了试验房的脉动效应,而当风速较大时,风沙减小了试验房的脉动效应。