Experimental study of the wake characteristics of a two-blade horizontal axis wind turbine by time-resolved PIV

Wind tunnel experiments of the wake characteristics of a two-blade wind turbine, in the downstream region of 0x/R10, have been carried out. With the help of the time resolved particle image velocimetry(TRPIV), flow properties such as the vortex structure,average velocity, fluctuations velocities and Reynolds stresses are obtained at different tip speed ratios(TSR). It is found that the wind turbine wake flow can be divided into velocity deficit region, velocity remained region and velocity increased region, with generally higher velocity deficit compared with a three-blade wind turbine wake. Once a blade rotates to the reference 0° plane,the tip vortices generate, shed and move downstream with the intensity gradually decreased. The leapfrogging phenomenon of tip vortices caused by the force interaction of adjacent vortices is found and more apparent in the far wake region. The axial fluctuation velocity is larger than radial fluctuation velocity at the blade root region, and the turbulent kinetic energy shares the similar trend as the axial fluctuation velocity. The axial normalized Reynolds normal stress is much larger than the radial normalized Reynolds normal stress and Reynolds shear stress at the blade root region. As the TSR increases, the radial location where the peak axial normalized Reynolds normal stress u'u'/U~2 and axial fluctuation velocity appear descends in the radial direction.     

低湍流度时尾流湍流切应力和湍流动能的相关

简述了在性能优良、湍流度极低（０．０２％）的西北工业大学低湍流度风洞中用热线风速仪测量翼型近场尾流及边界层速度型、湍流强度、雷诺正应力及切应力等的简况，并着重讨论了极低湍流度下近场尾流中湍流切应力和湍流动能间的相关特性，表明相关值明显不同于常规湍流度的结果。     

风力机近尾迹区域气动噪声分布和传播规律的实验研究

以S系列新翼型水平轴风力机为研究对象,利用声阵列法对S系列翼型风力机的近尾迹区域声场噪声分布和传播规律进行了实验研究。利用丹麦B&K公司的振动噪声采集分析系统在风洞开口试验段,在保证额定来流风速10m/s不变,对不同尖速比下的S系列翼型水平轴风力机风轮下游进行噪声测试,并且对最大声压级进行了分析。结果表明：风轮在旋转过程中,风力机风轮下游同一截面不同尖速比下噪声最大声压级的分布规律是在测试截面上由圆心沿半径增大的方向依次经过三个压力脉动变化强烈的区域,它们是测试圆心区域、中心涡区域、叶尖涡区域,测点在上述三个区域都会出现声压级的峰值,并且在叶尖涡区域声压级的峰值达到最大;在同一尖速比不同截面下风轮近尾迹区域噪声传播变化规律是沿着x轴正方向远离风轮旋转平面的测试截面上中心涡区域和叶尖涡区域半径增大,不断向外迁移。     

不同布置方案风力机尾流及相互作用的实验研究

以不同布置方案的风力机尾流场为研究对象,运用压差式风速仪对风力机尾流场的相互作用进行研究。对于2台风力机,当下游风力机(第2台风力机)全部或部分置于上游风力机(第1台风力机)的尾流场时,对下游风力机的尾流场进行测量。实验结果表明:当下游风力机全部置于上游风力机尾流场时,近尾流场受上游风力机尾流的影响较大,远尾流场受上游风力机尾流的影响较小,当两风力机轴向距离5D时,上游风力机对下游风力机的影响整体较小,且来流逐渐融合,表现出小幅度波动现象;当下游风力机部分置于上游风力机尾流场时,处于尾流场中的部分受上游风力机尾流(主要是叶尖涡)的影响,与尾流区外的相比,该部分的尾流区速度损失严重,但稳定性较好,当风力机横向距离大于1.5D时,随着横向距离的增大,轴向速度逐渐增大;随着轴向距离的增大,2种布置方案下轴向速度的变化幅度均逐渐减小。     

Effect of blade tip geometry on tip leakage vortex dynamics and cavitation pattern in axial-flow pump

A series of blade tip geometries, including original plain tip, rounded tip on the pressure side and diverging tip towards the suction side, were adopted to investigate the effect of blade geometry on tip leakage vortex dynamics and cavitation pattern in an axial-flow pump. On the basis of the computation, it clearly shows the flow structure in the clearance for different tip configurations by the detailed data of axial velocity and turbulent kinetic energy. The in-plain trajectory, in aspects of the angle between the blade suction side and vortex core and the initial point of tip leakage vortex, was presented using the maximum swirling strength method. The most striking feature is that the inception location of tip leakage vortex is delayed for chamfered tip due to the change of blade loading on suction side. Some significant non-dimensional parameters, such as pressure, swirling strength and turbulent kinetic energy, were used to depict the characteristics of tip vortex core. By the distribution of circumferential vorticity which dominates the vortical flows near the tip region, it is observed that the endwall detachment as the leakage flow meets the mainstream varies considerably for tested cases. The present study also indicates that the shear layer feeds the turbulence into tip leakage vortex core, but the way is different. For the chamfered tip, high turbulence level in vortex core is mainly from the tip clearance where large turbulent kinetic energy emerges, while it is almost from a layer extending from the suction side corner for rounded tip. At last, the visualized observations show that tip clearance cavitation is eliminated dramatically for rounded tip but more intensive for chamfered tip, which can be associated with the vortex structure in the clearance.     

带襟翼的机翼尾涡合并数值计算

为获得带有襟翼的机翼尾涡的合并动力学过程,在验证数值方法的基础上,数值模拟带有襟翼的机翼绕流尾流场,根据涡合并特征将合并过程划分为诱导共转阶段、合并阶段和轴对称化阶段.采用涡间距量纲—化尾流区域描述二涡诱导合并.变换弦长雷诺数、襟翼翼梢与机翼翼梢的间距、襟翼角度,改变襟翼翼梢涡与机翼翼梢涡的强度比,得到尾涡合并差异的特征.计算结果表明:随着雷诺数的增加涡的强度增加,涡量的扩散程度减低,涡合并过程被推迟,空间诱导运动过程得到延长,涡系空间诱导运动增强,涡合并的雷诺数效应随着雷诺数增加而减弱,缩短涡间距,加速涡合并过程,但合并后的远场涡尺寸和形态没有显著改变;襟翼涡随着襟翼角的减小而减弱,强度逐渐减弱的襟翼涡逐步被翼梢涡拉伸卷吸,微弱的襟翼涡系在近场中的合并过程完全改变,翼梢涡的运动轨迹并未受到诱导运动.翼梢涡合并的雷诺数效应表现为诱导运动过程的增强,尾流中强度小的涡系起不到明显的诱导作用.     

基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

为了提高风能利用效率,合理设计风电场,基于ANSYS Workbench有限元仿真平台以水平轴风力发电机为研究对象,在额定工况条件下对风力发电机周围流场特性进行了流固耦合分析,得到了风力发电机尾迹及叶片附近旋转域流场的风速、风压分布.结果表明:在风力发电机后不同距离的截面处,其湍动能沿竖直方向均呈现“M”型变化趋势;在水平方向上,部分流经叶片的空气产生了旋转,并具有向四周扩散的现象;在叶片旋转域中,沿叶片径向其风压与风速不断增大.     

尾缘射流式垂直轴风力机气动特性数值分析

为抑制翼型表面流动分离并提高风力机叶片气动性能,将可靠性较高的吹气射流技术应用于垂直轴风力机叶片尾缘。采用数值模拟方法分析不同尾缘射流角度对垂直轴风力机风能利用系数、力矩系数及单叶压力与整机涡量的影响。模拟结果表明:在最佳尖速比(2.63)时,10°射流可以有效降低翼型尾缘脱落涡频率,有效控制叶片尾迹效应,整机效率及运行稳定性均优于0°尾缘射流式垂直轴风力机;在较低尖速比时,风力机单叶力矩峰值均集中在120°相位角,尾缘10°射流对整机力矩系数有显著提升效果;在较高尖速比时,单叶翼型压力面存在较大正压区,风能利用系数最大可提高11%左右,气动性能明显优于无射流垂直轴风力机。尾缘射流降低了风力机叶片所需承受的轴向载荷,提高了风力机输出功率。不同角度尾缘射流均能有效降低叶片表面流动损失进而延缓流动分离,数值结果为尾缘射流式垂直轴风力机的工程应用提供了部分参考价值。     

横向椭圆射流的大涡模拟

为探索大型电站锅炉横向再燃射流的穿透性，采用大涡模拟方法分别计算了射流速度比率为10的横向圆管湍流射流和椭圆湍流射流，基于射流速度50 m/s的雷诺数为16 600.模拟结果表明，圆管射流中心轨迹与试验数据基本一致，方向因子为0.3的椭圆射流的穿透能力远大于圆管射流穿透力.计算捕捉到了射流上游由开尔芬 亥姆霍兹不稳定性引起的剪切层涡卷、始于近场并主宰远场的逆向旋转涡对和圆管射流尾涡区的垂直上升尾涡.与圆管射流相比，椭圆射流的剪切层涡卷的强度大大减弱，逆向旋转涡对狭长对称，尾涡区的垂直上升尾涡并不明显，这是椭圆射流穿透力提高的主要原因.     

基于升力线理论的风力机气动性能分析方法

为了提高风力机气动载荷的三维计算能力与计算稳定性,采用螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数.通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,计算了风力机的各项气动性能参数,并建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法.在FORTRAN平台中创建了分析程序,计算了风力机的气动载荷并与传统叶素动量理论进行了对比.结果表明,所开发的数值计算模型具有较高的计算能力与计算稳定性.     

小翼对水平风力机流场特性的改变

实验和数值模拟已经证明了风力机叶片的叶尖添置小翼,可以提高风能转化效率。为了清楚地了解小翼对风力机动力放大的影响,对加小翼和不加小翼的风力机流场——速度场和压力场的特性进行了分析。这个分析是基于对风力机加V(8.8×8)型小翼和不加小翼时叶轮周围流场数值模拟的结果。可以看出小翼对风力机的叶端产生的影响较大,即加大了风力机叶端的压差和速度。同时结合一定位置的压力和速度图的分析,可以看出小翼使风力机叶尖的漩涡强度降低,提高了能量的转换,从而提高了效率。     

风力机尾流场的实验研究

为了获得风力机的尾流场信息,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,使用皮托管和手持风速仪对无风力机情况和单个小型风力机的尾流场进行测量,获得尾流区域的速度场、压力场以及诱导速度场的分布规律.结果表明：对于无风力机的情况,在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小;对于有风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小;对于不同测量断面,随着测量间距的增加,在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小.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加呈下降趋势,而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

来流湍流度对圆柱绕流特性的影响

采用大涡模拟方法,在雷诺数为1.4?05时,研究来流湍流度对圆柱绕流特性的影响规律。研究表明：湍流度会使得自由剪切层间的相互作用更加剧烈,使得流场的三维特性更为强烈;同时加强了尾流区湍流能量的相互传递,减少能量的耗散,从而延长了回流区长度。随着回流长度的增加,圆柱背风面的平均风压系数得以增大,最终导致圆柱阻力系数随之减小。在尾流湍流得到增强的同时,尾流区会形成多尺度的湍流,从而促使漩涡形成区形成大涡量的漩涡,导致尾流区的漩涡呈现多频率的脱落。     

蹼板式水流发电装置实验研究

阐述了一种全新水流发电装置--蹼板式水轮机的首次实验研究的全过程.介绍了该类型水轮机的试验模型和试验装置的设计加工,分析整理出了我国第一份蹼板式水轮机的水动力性能资料,探讨了密实度、进速系数、叶数、雷诺数等主要参数对能量利用率系数的影响并分析了原因.该项研究结果表明,该型水轮机具备机构简单、造价低廉、能量利用效率高、易操纵性以及自启性良好等诸多优点,从而使它具有广泛的市场开发前景.     

厚壁面湍流边界层对圆柱脱涡影响的实验研究

在风洞中,用热线风速仪和压力传感器进行嵌入湍流边界层内的圆柱脱涡实验研究.测量了尾涡脱落频率和平板表面压强脉动,目的是分析当圆柱嵌入空气湍流边界层的情况下,间隙比值对尾涡脱落频率及壁脉动压强的影响.实验结果得到了尾涡无量纲频率S t随间隙比及雷诺数的变化情况,壁脉动压强周期性成分的变化规律,还得到了在一定雷诺数下,圆柱对边界层速度的影响范围,为今后的工作和研究提供了实验依据.     

不同入流条件及偏航角下的单风机尾流特性

随着大型风电基地建设,上游风机在运行时会使下游风场风速下降,湍流度增大,造成下游风机发电功率降低,加剧风机的疲劳破坏并缩短其服役周期。因此,亟需开展风机尾流研究,明确其特性及演化规律。为了揭示不同入流及偏航角下的单风机尾流特性,基于单风机尾流风洞试验,验证基于大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)结合致动线模型(Actuator Line Model, ALM)数值模拟方法的准确性;基于LES-ALM模拟方法研究入流风场（包括风速及湍流度）及偏航角对风机尾流特性的影响,阐明正负偏航角下单风机尾流的对称性。结果表明：随着背景湍流度的增大,风机尾流恢复速度加快;当入流条件相同时,风机设置正负对称偏航角,其尾流风速也表现出一定的对称性;风机偏航角越大,风机尾流膨胀宽度会逐渐减小,并降低尾流风速的亏损程度。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示：风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

双层反转垂直轴风力机的流场特性数值模拟

针对由垂直轴风力机运行过程中的动态失速问题所导致的功率系数较低的问题,提出双层反转构型的垂直轴风力机. 通过在传统垂直轴风力机内侧设置反转向辅助叶片的方式,改善垂直轴风力机流场,从而提高其功率系数. 将该风力机与传统垂直轴风力机进行计算流体动力学数值模拟对比分析,研究不同叶尖速比情况下两者流场特性的差异以及双层风力机内外层风轮起始运转相位差的影响. 通过计算得到的内层辅助叶片的时均扭矩系数为正,不需要额外功率输入. 外层叶片的扭矩系数结果表明,采用这种构型会降低叶片上游区域扭矩系数的峰值,同时大幅提高下游区域扭矩系数,从而实现时均发电效率的提高. 对流场中涡系结构进行分析,结果表明,功率系数提升的原因是内层辅助叶片的反向旋转抑制了主叶片的动态失速. 特别是当叶尖速比为1.85时,在初始相位差为90°的对比算例中,与传统垂直轴风力机相比,新构型下的叶片时均扭矩系数提高了43.92 %.