串列风力机三维尾流场的实验研究

为了提高风电场效率,减小上游风力机尾流对下游风力机的影响,风电场中风力机的布置形式尤为重要.利用轴流式风机提供来流风速,使用三维超声波风速仪获得两台100 W水平轴风力机在不同串列间距时的尾流场速度分布及尾迹流动扩散规律.结果表明:在同一测量断面上随着径向距离的增大,轴向速度先增大后减小;随着串列间距的增大,相同测量断面上轴向速度逐渐增大,径向速度的波动幅值和频率减小,切向速度波动幅值减小.当径向距离为2倍风轮半径时,尾流流场中切向速度的波动幅值相差不大;串列间距不变时,随着轴向距离的增大,轴向速度逐渐增大,且速度变化幅度逐渐趋于平缓,速度峰值也由风轮中心沿径向向外推移,径向速度和切向速度的波动幅值减小.上游风力机的存在使得尾流流场中径向速度和切向速度的波动幅值增大,同时使得下游风力机输出功率减小.风电场规划中应尽量避免风力机串列布置.

错列风力机尾流的实验研究

为了更好地研究水平轴风力机的尾流结构及其对下游风力机出力性能的影响,将两台风力机错列布置,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对风力机的尾流场进行了测量.通过比较单风力机和两台错列布置风力机的速度、压力和诱导速度,分析了风力机之间的尾流干扰问题.结果表明,上游风力机的尾流会使下游风力机的来流风速小于设计风速.两台风力机尾流重叠区的湍流度增加,尾流干扰增强,随着测量间距的增大,轴向速度先减小后增大.下游风力机5倍风轮直径处,尾流场速度基本恢复到主流速度.

串列风力机尾流场的实验研究

为了合理的布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场的效率,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据.利用轴流式风机提供来流风速,使用压差式精密风速仪和手持风速仪对两台串列风力机的尾流场进行实验研究,获得尾流区域的速度场、压力场及诱导速度场的分布规律.结果表明,上风向风力机的尾流对下风向风力机的功率有很大的影响,随着串列间距的增大,影响逐渐减小.对于无下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着半径的增大而逐渐减小.而在不同测量断面处,随着测量间距的增大,速度也逐渐减小.对于有下风向风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增大先增大后逐渐减小.对于不同测量断面,随着测量间距和串列间距的增大,在同一角度的速度的变化趋势逐渐减缓.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增大呈下降趋势.而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.

极端风况下风力机的动态失速研究

根据IEC标准与GL准则定义极端风速模型对某1.5 MW的水平轴风力机进行数值模拟计算,研究极端风况下风轮转矩、空气动力系数等的变化规律.研究发现,风力机在非稳态工况下运行时,高风速时风轮的转矩与低风速时风轮的转矩变化规律相比有明显差异,叶根到叶尖产生不同程度的失速.在风速增大和减小的不同过程中,非稳态工况下风轮转矩、升力系数和阻力系数随攻角的变化有显著地差别,叶轮的升力系数和阻力系数的最大值均高于稳态下的系数.

风力机翼型风沙冲蚀磨损演化过程研究

为了研究风沙环境下风力机翼型表面磨损的演化过程及机理,以兰州理工大学外场实验风力机叶片的6个截面翼型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和离散相模型(DPM)求解气固两相流动,并结合磨损模型进行数值模拟。研究发现,2年后翼型表面出现不同程度的砂眼、小坑和脱层;随着时间的推进,各个截面翼型前缘脱层深度不断增加,已有砂眼附近产生大量新的砂眼,大部分砂眼和小坑的横向尺寸及局部深度逐渐增加,部分相邻的砂眼和小坑逐渐联通形成小坑和局部脱层;随着颗粒的不断撞击,小坑和局部脱层的横向尺寸沿弦线方向不断扩大,翼型的磨损程度逐渐加剧。

水平轴风力机三维尾流场的实验研究

以100W水平轴风力机为研究对象,利用三维超声波风速仪在风轮下游进行尾迹流场的速度测量.采用超声波时差法,获得风轮下游的三维尾流场信息.实验结果表明:风轮下游尾迹区内的流动存在明显的三维特性.由于风轮旋转和来流衰减,使得风力机尾迹区轴向速度存在严重的亏损,且尾迹区轴向速度亏损随着风轮下游轴向距离的增大逐渐减弱.但由于风轮旋转时叶尖涡脱落,在距测量中心径向较远处出现高速度区域.径向速度和切向速度在3倍风轮直径截面处最大,随着轴向距离的增大逐渐减小,且径向速度和切向速度的波动频率随着径向距离的增大逐渐减小.尾流场的湍流强度在风轮旋转半径内高于半径外,随着轴向距离的增大,湍流度先增大后减小,在远尾流区与大气来流逐渐融合,且流动逐渐趋于稳定,在8倍风轮直径位置处适合布置下游风力机.

钝尾缘翼型对5MW风力机性能影响的研究

目前国内外对钝尾缘翼型的研究主要集中于翼型的改进方式与二维气动性能的模拟,对钝尾缘翼型应用于风力机时对其性能影响的研究较少,然而钝尾缘翼型应用于风力机时由于旋转效应的存在叶素翼型之间会发生相互影响。为了更好的研究钝尾缘翼型,了解钝尾缘翼型对风力机性能的影响,对NREL 5MW风力机叶片内侧翼型进行对称钝尾缘修型,分析二维翼型气动性能,发现一定范围内,翼型的升力系数、升阻比均随尾缘厚度的增加而增大。对原风力机进翼型替换,模拟并对比两类风力机的性能,研究表明改型后风力机的输出扭矩高于原机,而且随风速增大改型风力机的优势变得越来越突出;然而在相同工况下,改型后风力机的轴向力也大于原机。

基于流固耦合的风力机预应力模态分析

以某1.5 MW水平轴风力机风轮为研究对象,考虑风轮旋转气动力和结构的流固耦合效应,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出不同风速时风轮旋转气动力与结构流固耦合作用下的压力.将压力作为输入载荷对风轮结构进行静力学分析,进而转换为预应力条件下的模态分析.结果表明:风力机运行时,叶尖处的变形最大,叶片上距离叶根3/4段处和叶根部有明显的应力集中;最大应力在额定风速以前随着风速的增大而增大,额定风速以后变化较小;叶片最大变形量随着风速的增大而增大;旋转效应使得风轮各阶模态所对应的频率增大.

大型近海水平轴风力机转轮的空气动力学性能优化判据

以近海风能工程为研究目标，对具有不同特性参数（设计风速、叶尖线速度和转轮实度）的大容量（1—10MW）风力机转轮的气动性能与几何特性进行分析与研究．首先提出大型机组转轮气动性能优化判据：在其直径最小的前提下具有尽可能高的年可用风能特性因数以及与之相关的风能利用系数，因而可捕获最多风能，使年发电量最大．接着给出影响它的几个主要气动参数，如转轮设计风速、叶尖线速度以及转轮实度，并分析风力机在近海气象条件下运转时上述两个气动指标随这些参数变化的规律．提供的气动分析方法及结果可作为大型近海风力机转轮气动性能的评价基础．

水平轴风力机尾流场的特性分析

以100 W水平轴风力机为研究对象,当来流风速为12.5m/s时,建立数值计算模型和实验模型,通过模拟计算与实验测量,得到风轮旋转平面后不同间距断面处的速度和压强分布情况.将模拟值与实验值进行对比研究,结果表明:风轮下游3倍风轮直径处的实验值与模拟值拟合较好,随着风轮后轴向距离的增大,实验值与模拟值存在一定的差异.从速度云图可以看出,水平轴风力机的尾流场从风轮旋转平面产生,在叶片尾缘处脱落且逐渐膨胀,在来流风速的影响下逐渐向下游扩散,且轴向速度亏损值随着轴向距离的增大而逐渐减小,尾迹区域渐渐收缩,最终与大气来流逐渐融合.

大型水平轴风力机叶片过渡段的断面造型

从叶片强度的观点出发,探讨大型水平轴风力机叶片过渡段平面轮廓及其断面的造型方法.通过数学解析方法建立过渡段的平面轮廓及断面由叶片轴颈的圆形到工作段的翼型根断面的确定方法,给出过渡段平面轮廓与其各断面周线的三维坐标.用该方法对一兆瓦机组叶片的过渡段进行造型.结果说明本文所提出的叶片过渡段平面轮廓与断面造型方法具有的特点是:断面过渡平滑,无应力集中断面;各过渡断面的轮廓线都有精确的空间坐标,为叶片模具制造提供准确的工艺数据.

一种大型风力机叶片的气动优化设计方法

探索研究了一种大型风力机叶片优化设计的方法,采用有限叶片变环量气动计算模型,同时结合了PSO优化算法。以一3MW大型水平轴风力机叶片设计为例,并同传统的方法进行比较论证,显示了本文方法的可行性和优越性。

极端运行阵风下风力机的气动特性

基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡.

一种水平轴风力机尾流模型及其计算方法

基于现有的尾流模式,提出一种新的尾流计算方法.新的尾流模式将尾流分为近涡区和远涡区,在近涡区,尾涡在选定的扇形截面上解析求出,在其他处通过非线性插值求得.在尾涡中选取有限的离散点数计算诱导速度,减少了计算量,根据流体连续性方程确定尾涡的扩散半径,避免了梢涡半径的不收敛性.通过具体的风力机算例,与刚性尾流模型相比,该方法计算的轴向诱导因子其分布趋势更加合理,验证了该方法的正确性和实用性,为水平轴风力机风轮气动设计和性能计算提供一种有效的尾流模型计算方法.

小攻角时风力机翼型边界层特性的数值模拟

通过求解三维不可压雷诺时均N-S方程,当雷诺数为3×106,攻角为0°时,研究了NACA0012翼型绕流的边界层厚度分布和边界层内流体切向速度的变化规律.研究发现,沿着翼型弦线方向,从前缘到后缘,边界层的名义厚度、位移厚度、动量损失厚度以及能量损失厚度均呈增大趋势,且数值均很小,四种厚度的最大值分别占翼型弦长的1.25%、0.36%、0.17%和0.29%;在边界层内流体黏性的影响明显,流体切向速度与其势流解的比值沿着翼型吸力面外法线方向先迅速增大,之后增长率逐渐减小,当法向高度大于边界层名义厚度后基本保持不变,呈现出典型的边界层速度剪切特性.

前缘脱层对风力机翼型流场和气动性能的影响

为研究前缘磨损对翼型气动性能的影响,以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型进行数值计算,研究不同前缘脱层深度对翼型流场和气动性能的影响.结果表明:前缘脱层改变了翼型形状,使得前缘流动变为台阶流动,造成后缘分离区变大、分离点前移.随着脱层深度和攻角的增大,吸力面前缘回流漩涡和后缘分离区由相互独立状态变为完全融合.同一攻角下,前缘脱层对前缘的压力系数影响较大.攻角小于3°时,前缘脱层对翼型的升、阻力系数影响较小,攻角大于3°后,随着脱层程度的加深,翼型的升力系数逐渐减小,阻力系数逐渐增大.相对于光滑翼型前缘脱层翼型升力损失率最高达55.08%,阻力增长率最大达150.48%.

湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流,湍流来流时风力机尾流速度的最大亏损率减小,但湍流度大小对尾流速度最大亏损率影响较小;尾流半径增长速率在风轮平面至风轮后两倍直径范围内逐渐减小,在两倍直径之后基本不变;湍流会使尾流膨胀程度增强,且湍流度越大,膨胀程度越强;在11 m/s风速条件下,湍流度增大导致风轮转矩时均值减小,波动幅度增大,风轮转矩在高频与低频部分的能量升高,并且低频部分能量升高得更快.

水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化

基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33 kW水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程.研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,速度曲线具有明显的周期性,反映出脱落涡通过频率为1.80 Hz,其为风轮旋转频率的两倍.风轮后1倍直径测点处的叶尖涡所在的频率为0.78~25.00 Hz,形成的涡管通过该测点的时间约为0.32 s,涡管直径约为1.83 m;3倍直径测点处出现了0.15~0.78 Hz的低频率湍流结构;7倍直径测点处叶尖涡的频率为1.56~25.00 Hz,相比7倍直径测点之前的叶尖涡频率范围有大幅减小;8倍直径测点处,与近尾流区域相似的叶尖涡的涡管形状消失;9倍直径测点处叶尖涡基本完全耗散.

基于改进的粒子群算法的风力机叶片优化设计

基于有限叶片变环量气动计算模型,加入攻角随风速的变化处理,根据风电场中来流速度的概率分布,并以风力机最大年发电量为目标,建立优化模型,使用改进的粒子群算法进行搜索,寻找全局最优解。采用改进的粒子群算法设计的优化程序,设计了1.3MW定桨失速型风力机叶片,并与现有的风力机叶片作比较。优化后,风力机叶片的弦长明显减小,达到额定风速后的功率输出情况,也满足了定桨失速型风力机的功率控制要求,说明本文所述的优化设计方法的有效性和实用性。

5kW垂直轴风力机的气动性能分析

为了改善垂直轴风力机风轮流场的气动性能,分别利用双盘多流管模型及2维N-S方程的数值模拟方法对5kW垂直轴风力机的气动性能进行预测.两种方法得出的功率系数随叶尖速比变化相差不大,两种方法均可行.前者得出风轮上风区域和下风区域的流动阻滞效应随转子实度的增大而增强,且在下风区域表现的更为明显;后者得出在叶尖速比较低的情况下,风力机叶片周围有明显的涡脱落现象,在同一个叶尖速比下叶片转动到不同位置时风力机尾流速度场变化不大.