水平轴风力机尾迹三维流场的热线测量

利用单斜丝热线旋转进行水平轴风力机模型的尾迹流场测量。热线测量过程中采用了周期性采样和锁相平均技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,并利用自行编制的MATLAB程序求出尾迹流场的三维平均速度。试验结果表明：采用旋转单斜丝热线结合周期性多点采样技术构成的热线测量系统,能够获得风轮流场速度分布等准确的定量信息,是一种比较有效的风力机三维流场动态测试方法。风轮下游的尾迹区内存在速度亏损,速度亏损随着风轮下游轴向位置的增加而减弱。风轮下游4倍弦长外,尾迹区的速度就已经基本恢复到主流速度。在气流向下游流动的过程中尾迹的轴向速度亏损形成的波谷曲线渐趋平缓,尾迹区的宽度不断扩大,2倍弦长以后尾迹宽度基本不再扩大,并逐渐与主流掺混融合。     

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。     

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     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

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.     

大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析

风力机尾迹区域的流场特征对风电场的优化布置具有重要意义。文章基于流固耦合理论,采用ANSYS+FLUENT方法和滑移网格技术对NREL 5 MW风力机的尾迹特性进行了系统分析。结果表明:在风力机近尾迹区流固耦合情况下风力机的输出功率和轴向推力更接近NREL设计值;在远尾迹区、双向流固耦合情况下,轴向速度更早地在风力机下游6倍风轮直径X=6D处达到来流速度,而湍流强度也提前在X=2D处出现拐点开始下降,在X=6D处达到9.8%,流场进入低湍流度区,从而得到了风力机合理布置方面的重要结论,这将对风力机合理布置和风电场经济性的提高提供一定的参考。     

风剪切来流对风力机近尾迹流动特性影响

在风剪切来流风况下,对WindPACT 1.5MW风力机近尾迹流动特性进行了数值计算,同时研究了三种风剪切系数(0.1、0.2和0.3)对风力机近尾迹流动特性的影响。基于雷诺平均不可压N-S方程的计算流体力学方法数值模拟三维非定常的风力机流场,其中,湍流模型选取Shear Stress Transport k-ω湍流模型。研究结果表明:在近尾迹区域,来流空气的轴向诱导因子和切向诱导因子受到旋转叶片的强烈影响,并在风力机下游形成明显的轴向速度亏损。这种轴向速度亏损随空气向下游流动过程中,逐渐减弱。轴向诱导因子和切向诱导因子受风剪切影响,呈非周期性分布,并且风剪切系数增加,这种影响随之增强。     

不同串列布置间距下2 MW风力机尾流的研究

为合理利用有限的土地资源,提高整个风电场的发电效率,采用FLUENT软件对在不同串列布置间距下的风力机尾流的相互影响情况进行了仿真研究。结果表明:随着风轮间距的增加,下游风轮风速逐渐增大并向着来流风速值靠近,功率损失逐渐减小,上游风轮的尾流对下游风轮产生的扰动作用逐渐减弱;但是风轮间距为10D时,下游风轮已基本摆脱了上游风轮的强尾流区,此后尾流速度变化缓慢。因此,在风电场布局时应合理选择风力机间距。     

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。