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。     

风力机叶尖区涡声分析及小翼对其的影响研究

文章对有无V型叶尖小翼的风力机尾迹流场进行了研究,重点对叶尖涡的产生与脱落、叶尖区域声辐射进行了分析。结果表明:风轮尾迹区分为主流区、中心尾迹区及叶尖涡诱导效应区;叶尖涡向下游有序流动,随着轴向距离的增加,叶尖涡向外扩展;声压脉动时均值的最大区域集中在风轮叶尖部位,叶尖区域噪声最大;加装V型小翼可以重整通过叶尖流场的气流,使叶尖涡的产生推迟、脱落提前,总声压级降低;数值模拟无小翼时,所选观测点频谱图中声压级总体处于50~70 dB,加装V型小翼后,频谱图中声压级处于45~65 dB,降低效果较明显。实验得到该点V型小翼风轮总声压级为82 dB,比无小翼风轮减少4 dB;风轮辐射声总声压级随着测点向风轮下游移动逐渐衰减,加装V型小翼后总声压级降低,降幅在1~5 dB。     

基于流固耦合的风力机叶片变形研究

文章利用ANSYS Workbench中的Fluid Flow(CFX)与Transient Structural平台对实木和环氧树脂材料叶片进行双向流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用下风力机叶片的变形情况和叶片变形对风力机尾迹流场和输出功率的影响。分析结果表明:在额定风速下,叶尖位置变形最大,实木材料叶片的最大变形量为18.72mm,远大于环氧树脂材料叶片的最大变形量(4.88 mm),随着风速的增大实木材料叶片变形更明显;实木材料叶片风力机的尾迹叶尖涡涡量较大,尾迹速度扰动更加强烈,速度亏损也较多,风轮输出功率较大。     

水平轴风力机风轮子午面流场结构的实验研究

利用线式互相关PIV系统,采用轴编码器定位周期采样技术,在不同尖速比下对旋转水平轴风力机风轮不同子午面下游流场结构进行测量.分析得到不同条件下的瞬时图、时均图,重点对叶尖涡诱导效应区进行研究.实验结果表明:在风轮下游尾迹中可清晰看到叶轮近尾迹流场中的外部主流区、叶尖涡诱导效应区和中心尾迹区.其中风轮下游尾迹流管廓线是锥形螺旋体;叶尖涡核直径随轴向距离的增加而增大,随着测试方位角的增加,尾迹中各叶片产生的叶尖涡沿螺旋锥形廓线有序地向下游扩散流动;随着尖速比的增加,内部中心尾迹区轴向速度亏损值逐渐增加,并且中心尾迹区的范围逐渐扩大.     

风力机近尾迹叶尖区域气动噪声变化规律的数值研究

在采用LES计算流场的基础上,提高时间分辨率,利用K-FWH方程所定义的声源积分面形成声波辐射特征,采集设计来流风速最佳攻角状态下叶轮尾迹流场的声场数据。重点研究风轮叶尖尾迹区域高幅值的频率噪声及其谐波分布和传播以及不同区域噪声相互影响的声辐射特征。计算结果表明:风轮在旋转过程中,叶轮基频声压能量在叶轮尾迹声辐射中占主导地位,而且由叶尖涡引起的涡流声辐射也较重要,基频谐波的能量耗散相对较慢,致使频谱图中峰值部位较多,但随着频率的不断增加,基频谐波的能量耗散速率也在加快。叶尖涡的运动轨迹,随着监测点远离旋转中心沿X轴正向距离的增大,具有叶尖涡影响的声压值变化特征的监测点沿径向外移并近似于线性关系。     

前弯叶片对轴流泵噪声辐射性能的影响

通过改变叶片径向积迭线获得周向前弯0°与9°叶轮,采用大涡模拟(LES)方法以及声学边界与结构有限元耦合解法完成了轴流泵内部非定常流动及流动发声的数值模拟,研究了叶轮叶片周向前弯角(0°和9°)对轴流泵噪声辐射分布的影响,对比了不同叶片的轴流泵噪声辐射分布情况.结果表明:周向前弯9°叶轮叶片比周向前弯0°叶轮叶片产生的噪声降低了3 dB左右;将叶轮叶片前弯9°能降低轴流泵的水动力噪声.     

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。     

水平轴风力机尾迹的测量与分析

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热线测量技术，获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息。实验结果表明：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。尾迹区内在气流向下游流动的过程中尾迹速度亏损逐渐衰减，尾迹区的宽度不断扩大，并逐渐与主流掺混融合。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，其中径向、切向紊流强度分量较大，而轴向分量紊流强度最小，尾迹区内的紊流具有高度不均匀性。最后，利用CFD软件Fluent6．0对实验风力机的三维流场进行了数值模拟，实验与数值模拟得到了较为一致的结果。图11参10     

V型叶尖结构对风力机叶尖区域气动噪声影响的实验研究

针对叶尖部位是影响近尾迹流动和声辐射的主要区域,提出V型叶尖结构,对其气动特性和叶尖区域声辐射的特征进行测试。结果发现:V型叶尖结构风力机在输出功率减小0.95%~3.50%的范围内,使得改型后风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应的旋转噪声减小2.7%~4.5%。同时对叶尖涡的脱落频率所对应的叶尖涡噪声产生影响,使之降低了2.8~9.0 d B,找到V型叶尖的高度是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低的主要因素。