考虑小攻角影响H型风轮变桨方法研究

升力型立轴风轮叶片气动特性随方位角变化而变化,可通过变桨来改善。与传统变桨思路相反,采用在小攻角区域大角度变桨,在大攻角区域小角度变桨,以重点改善小攻角区域性能为出发点来提高风轮整体性能的变桨思路。以NACA0012翼型2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风轮为研究对象,基于双盘面多流管模型,分析和比较在最佳尖速比5时变桨前后攻角、切向力系数、能量密度的分布及其变化规律,验证新变桨方案效果。研究结果表明:变桨后上盘面攻角、切向力系数、能量密度的高性能覆盖面积明显增大。在上盘面,攻角和切向力系数呈梯形分布;在下盘面原极大值两侧形成了新的更大的极大值区域,攻角呈W分布,切向力系数呈M分布。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

叶片最大厚度前部修型的垂直轴风力机气动性能

风力机叶片是使风能转化为机械能的原动机构,是风力机的重要部件,风力机风能利用系数的高低主要取决于其叶片的气动外形。保持直叶片垂直轴风力机使用的NACA0022翼型的对称性不变,改变其叶片最大厚度前部的形状,以期得到高风能利用系数的垂直轴风力机翼型。利用Fluent软件,采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,运用滑移网格技术,对由不同叶片构成的风力机进行数值计算。计算结果表明,当叶片最大厚度前部是长短轴比为3∶2的椭圆形状时,风力机的风能利用系数更高,而且处于高风能利用系数的尖速比范围更宽;在尖速比为1.72时,风能利用系数最高,为24.8%,此时的风能利用系数较基本翼型提高了28%。叶片修型提高风力机性能的物理机制是最大厚度点前移后的叶片在大攻角下的扰流流动分离强度减弱了。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

扰流对达里厄风力机气动攻角的影响分析

提出利用扰流来解决因局部方位角叶片攻角极小,而导致达里厄风力机整体性能较低的方法。采用多流管模型,预测扰流对风力机风能利用系数的影响规律,分析对在不同尖速比下赤道半径R和0.8R叶素攻角的影响规律。计算表明:在扰流的作用下,在最佳尖速比工况下,风力机风能利用系数提高了10%,且随尖速比增加,增幅继续增大,也扩大了风力机的运行尖速比范围。扰流增大了叶片攻角,在0?≤θ≤15?内,攻角增幅随方位角的增加而增加;在175?≤θ≤180?内,随方位角的增加而减小。旋转半径相同时,尖速比越大,叶素攻角的增幅越小;同一尖速比下,叶素旋转半径越小,方位角175?≤θ≤180?内的叶素攻角增幅越大。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

改进型格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响

直线翼垂直轴风力机气动效率普遍较低,为此提出一种具有内侧、外侧、双侧格尼襟翼和凹槽格尼襟翼的翼型叶片以提升其气动性能。通过数值模拟研究6种新型叶片对垂直轴风力机风能利用率、力矩系数、流场结构和叶片切向力等气动性能的影响。结果表明：6种格尼襟翼叶片均可在一定尖速比（TSR）范围内提高风能利用率,外侧凹槽格尼襟翼最大风能利用率可提高17.92％;外侧格尼襟翼与双侧凹槽格尼襟翼相比原始叶片可有效降低风力机载荷波动并提高平均力矩系数;双侧dimple-GF可改善动态失速特性,明显抑制旋涡发展;单叶片切向力在上游区明显增大,有效提高了风力机气动性能。     

垂直轴风力机新型变桨控制策略参数组合气动分析

低尖速比下垂直轴风力机攻角一般较大，流动分离现象较严重，可通过变桨调整叶片攻角以减少叶片流动分离提高其气动效率。以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象，基于攻角随相位角变化规律，提出一种俯仰角控制策略，此控制方式特点是在不同相位角时攻角成比例地减小，在大攻角时大幅减小攻角，而在小攻角时变化幅度较小，之后通过数值计算验证其效果。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著提升功率系数；相较单一参数控制策略，不同参数组合的控制策略方式虽然在0°～180°（迎风区）与180°～360°（背风区）的风能捕获效率会相互影响，但提升效果也更好。此外，不连续的俯仰角速度将导致扭矩波动，通过采用权函数对俯仰曲线进行拟合可消除该波动。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

非对称锯齿结构对叶片气动声学性能的影响

为降低水平轴风力机叶片的气动噪声,受鸮类静音飞行能力的启发,提取鸮类翅膀羽毛的非对称锯齿结构,并重构于风力机叶片尾缘处。采用大涡模拟（LES）和FW-H方程对改型叶片和原型叶片的流场及声场特性分别进行研究。同时通过改变非对称锯齿尾缘的结构参数,以探究不同锯齿夹角、锯齿宽度和锯齿间距对非对称锯齿尾缘的降噪效果的影响。结果显示：非对称锯齿尾缘具有较好的降噪效果,尤其是在低频和中频区域,总声压级最多可降低10 dB。当锯齿夹角分别为30°、40°和50°时,随着锯齿夹角的增加,噪声声压级在多数方位角下呈增加的趋势;锯齿宽度分别为10、12.5和15 mm时,随着锯齿宽度的增加,噪声声压级在多数方位角下明显降低;锯齿间距的改变,对0°方位角下的噪声声压级影响显著。而从涡分布图中可发现,非对称锯齿尾缘未改变叶片表面涡脱落的位置,但会减小涡结构和涡强度,增大涡间距,从而抑制噪声的产生。     

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。     

Predictions of unsteady HAWT aerodynamics in yawing and pitching using the free vortex method

To predict the unsteady aerodynamic loads of horizontal-axis wind turbines (HAWTs) during operations under yawing and pitching conditions, an unsteady numerical simulation method is proposed. This method includes a nonlinear lifting line method to compute the aerodynamic loads on the blades and a time-accurate free-vortex method to simulate the wake. To improve the convergence property in the nonlinear lifting line method, an iterative algorithm based on the Newton–Raphson method is developed. To increase the computational efficiency and the accuracy of the calculation, a new wake vortex model consisting of the vortex core model, the vortex sheet model and the tip vortex model is used. Wind turbines with different diameters, such as NREL Phase VI, the TU Delft model turbine and the Tjæreborg wind turbine, are used to validate the method for rotors operating at given yaw and/or pitch angles and during yawing and/or pitching processes at different wind speeds. The results, including the blade loads, the rotor torque and the locations of the tip vortex cores in the wake, agree well with the measured data and the computed data. It is shown that the proposed method can be used for predictions of unsteady aerodynamic loads and rotor wakes in the operational processes of blade pitching and/or rotor yawing.     

变速风力机变桨距系统建模与仿真

变速风力发电机组一般采用变桨距控制来稳定输出功率,但是桨距角的改变会引起攻角的改变,从而引起叶片气动性能的改变,所以在变桨距控制过程中,必须保证合适的攻角,以确保风力机具有良好的气动性能。采用统一变桨距控制方法,在matlab/simulink环境下,通过预测攻角仿真研究了变速风力发电机组的变桨距控制过程,结果表明,该控制模型能正确模拟各种风速下风力发电机组变桨距的动态过程,为进一步研究变速风力发电机的功率控制奠定了基础。     

Effect of platform disturbance on the performance of offshore wind turbine under pitch control

The aerodynamic performance of offshore floating wind turbines (OFWTs) is more complicated than onshore wind turbines due to 6‐degree of freedom (DOF) motion of the floating platform. In the current study, the aerodynamic analysis of a horizontal‐axis floating offshore wind turbine is performed with the aim of studying the effects of floating platform movement on the aerodynamic characteristics of the turbine in the presence of a pitch angle control system. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) 5‐MW offshore wind turbine is selected as the baseline wind turbine. For this sake, the unsteady blade element momentum method with dynamic stall and dynamic inflow models have been employed to obtain the unsteady aerodynamic loads. The baseline pitch angle control system is assumed to be coupled with the aerodynamic model to maintain the rated condition of the wind turbine and also to approach a closer model of wind turbine. In case of pitching motion input, the reduction of mean power coefficient for tip speed ratios (TSRs) less that 7 is expected by an amount of 16% to 20% at pitch amplitude of 2° and frequency of 0.1 Hz. For high TSRs, the trend is reverse with respect to fixed‐platform case. The mean thrust coefficient is reduced for almost all range of TSRs with maximum loss of 37%. Moreover, the mean control pitch angle that is an index of control system effort is increased. The results also represent the importance of considering the pitch control system for aerodynamic analysis of disturbed OFWT.     

不同攻角下压气机叶栅涡流噪声辐射特性的研究

采用大涡模拟模型和边界元方法对压气机叶栅的非定常流场与声场进行了分析,研究了来流攻角对叶栅尾缘非定常涡脱落及其噪声辐射特性的影响.结果表明：压气机叶栅流场中存在着尾缘涡脱落现象,尾缘涡脱落的强度随着攻角的变化而变化.在较大的正攻角下,吸力面存在的分离涡与下游的尾涡相互影响,引起较大的升力脉动,使得噪声辐射增强;而在较大负攻角下,压力面的分离涡同样影响尾缘涡的脱落,噪声辐射水平也有增强趋势.来流攻角对噪声辐射的指向性影响不大.声压级的最小值出现在阻力系数最小的攻角下.     

Experimental Investigation of Aerodynamic Performance due to Blade Tip Clearance in a Gas Turbine Rotor Cascade

This study examines how the complex flow structure within a gas turbine rotor affects aerodynamic loss. An unshrouded linear turbine cascade was built, and velocity and pressure fields were measured using a 5-hole probe. In order to elucidate the effect of tip clearance, the overall aerodynamic loss was evaluated by varying the tip clearance and examining the total pressure field for each case. The tip clearance was varied from 0% to 4.2% of blade span and the chord length based Reynolds number was fixed at 2×10⁵. For the case without tip clearance, a wake downstream of the blade trailing edge is observed, along with hub and tip passage vortices. These flow structures result in profile loss at the center of the blade span, and passage vortex related losses towards the hub and tip. As the tip clearance increases, a tip leakage vortex is formed, and it becomes stronger and eventually alters the tip passage vortex. Because of the interference of the secondary tip leakage flow with the main flow, the streamwise velocity decreases while the total pressure loss increases significantly by tenfold in the last 30% blade span region towards the tip for the 4.2% tip clearance case. It was additionally observed that the overall aerodynamic loss increases linearly with tip clearance.     

大型风力发电机组独立桨叶控制系统

设计出独立桨叶控制系统的机构方案，依据空气动力学分析，提出模糊控制结合以桨叶空间方位角作为主体因素的加权系数的控制策略，建立了系统模型，仿真结果表明，在风速高于额定风速时，作用在桨叶上的负载波动大为减小，输出功率维持在额定功率附近。