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。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

叶尖涡随工况变化的响应特征分析

风力机叶片处于偏航工况时,涡量值随工况因素变化显著,叶尖涡涡量值难以识别,相关的实验研究成果也比较少。针对该现状,文章提出了新的涡量值提取方法,并采用高频PIV设备,以直径为1.4 m的分布式水平轴风电叶片为实验模型,开展了相关叶尖涡特征测试;揭示了来流风速、叶片转速、偏航角度变化对叶尖涡涡量值影响的敏感性和影响规律。新方法的提出,对基于实验手段开展的偏航条件下叶尖涡涡量值特征分析,具有一定的借鉴意义;相关结论的获得,可对此前一些研究人员所获得的彼此相悖性结论作出验证;相关实验数据的获得,可为风力机开发中亟待解决的流固耦合主控方程有效解耦合方法的探索,提供可靠的实验数据。     

湍流强度对风力机尾迹涡结构影响的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾迹涡结构的影响规律,利用TR-PIV(time resolved-particle image velocimetry)对水平轴风力机模型在有、无格栅4.5D(D为风轮直径)范围内的尾流信息进行采集。通过定性及定量分析对比有、无格栅时尾迹流场瞬时涡量、平均涡量及湍动能的变化规律,再现了不同入流条件下尾迹涡形成、发展和湮灭的过程及尾迹涡系间能量传递特性。分析发现:自由流4.5D范围内均可见明显叶尖涡拟序结构,其衰减速度较慢。格栅入流时随湍流强度增加流层间的强剪切及径向掺混作用增强,使叶尖涡拟序结构失稳,2.5D时拟序结构消失;涡量集中区域较自由流明显扩张,叶尖涡诱导效应影响范围增加;尾迹涡系的湍动能较自由流明显增加,随着尾迹向下游发展叶尖涡、中心涡湍动能很快衰减,附着涡区湍动能却明显增强;附着涡区不再是隔离带,而是叶尖涡和中心涡的能量输送带,从而促进尾迹恢复。     

水平轴风力机尾迹叶尖涡运动轨迹的实验研究

利用高频PIV系统采集水平轴风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据。首先通过对涡量场云图分析发现叶尖涡"交互跳跃"现象;然后对比不同翼型、风速、尖速比下,1、2、3、4倍风轮直径处的平均涡量值发现:随着尖速比的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象提前发生;随着风速的增加,叶尖涡"交互跳跃"现象推后发生;得出叶尖涡"交互跳跃"现象的出现是尾流速度开始恢复的标志。而NACA4415翼型叶片发生叶尖涡"交互跳跃"现象的时间比S翼型叶片推迟,所以NACA4415翼型叶片的尾流速度恢复比S翼型叶片推迟。     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速（PIV）系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示：虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。     

风力机叶片及塔架流固耦合分析

采用ANSYS Workbench软件,对国内某200 kW水平轴风力机流场进行数值模拟,计算出风力机叶片表面的压力分布和旋转域速度分布。通过对X方向不同截面总压、湍动能和涡粘性分布情况进行分析,得到了风力机下风向上述3个物理量的变化规律。将风力机流场的计算结果施加到固体计算中,进行风力机叶片和塔架整体的流固耦合模拟计算,分析得出风力机叶片、塔架应力和变形量的分布情况。最后进行模态分析,得到其前十阶振动频率和振型,为风力机安全运行和叶片的优化设计提供参考。     

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.