垂直轴风力机二维非定常流场数值模拟

应用FLUENT软件求解二维非定常不可压N-S方程和SST κ-ω湍流模型,采用PISO速度压力修正算法,结合滑动网格技术,模拟垂直轴风力机(VAWT)的流场特性.获得并分析了不同时刻的速度场、压力场分布,风轮叶片受力和转矩的变化规律.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机旋转过程的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.     

不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性

为研究垂直轴风力机错列排布时下游风力机横向偏移距离对尾流特性的影响,获得优化的排布方式,以某H型垂直轴风力机为研究对象,建立了三维计算模型进行仿真模拟。基于单风力机模拟结果,研究了错列排布中不同偏移距离对风力机功率系数及尾流特性的影响。结果表明：当尖速比由0.5增加至1.5的过程中,风力机尾流逐渐接近于钝体尾流,下游速度恢复距离减小;风力机阵列中,错列布置可有效缓解上游风力机尾流对下游风力机的不利影响;随着横向距离的增大,下游风力机整体尾流速度分布逐渐与上游风力机的下游气流速度分布相一致,当横向间距为1倍,2倍风轮直径时,下游风力机功率系数相比单列排布提升了16.5%,37.3%。     

分布式能源用垂直轴风力机的结构优化设计

基于计算流体动力学(CFD)平台,以k-ε模型求解N-S方程的方式,分析了垂直轴风力机(VAWT)的三维结构,对分布式能源用小型垂直轴风力机的特性进行了建模与仿真计算,并通过结构对比分析,对结构进行了优化设计。在将现有叶片中的直平板改为流线型设计结构后,大大提高了该垂直轴风力机的风能利用系数。而在叶片中间加入小挡板后对提高垂直轴风力机的风能利用不明显。此外,对比验证了三种叶片结构风轮的性能,确定了该类垂直轴风力机最佳叶片数。为该类垂直轴风力机的设计与优化提供了借鉴和参考。     

变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟

应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF复合坐标系技术,模拟垂直轴风力机（VAWT）的流场特性.获得并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得到风轮叶片压力分布和转矩值.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机不同攻角下的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.     

致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究

提出一种简便的致动盘模型,结合CFD的研究方法对风力发电机的尾流流场进行数值研究,得出了风机尾迹区的流动状况和风轮中心轴向速度分布以及风机下游不同位置处的径向速度分布。计算结果与风洞实验结果吻合较好,表明采用的方法可以用于风力机流场模拟,能够较好地捕捉尾流的流场特性。致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究方法能够在计算量相对较小的情况下准确反映远尾流的流场信息,可以作为工程应用的工具,为风场风力机排布提供参考依据。     

导流型垂直轴风力机内部流场数值模拟中若干问题的探讨

导流型垂直轴风力机是以在传统垂直轴风轮外增加一圈导流叶片而得名,其气动性能往往高于常规垂直轴风力机。导流型垂直轴风力机的绕流场是典型的内外流结合的多尺度、非定常、不稳定的三维漩涡流场。对这种复杂流场进行全三维、真正意义的非定常数值模拟,所需的计算量远远超出微机的现有能力,且其所需的计算时间也往往超出企业产品的设计周期。通过讨论在对该种风力机流场进行数值模拟时的两个问题,旨在寻求一种计算量与计算时间适中,并具有一定计算精度的计算模型:其一,在处理旋转风轮与静止导风轮之间的非定常计算信息传递时,采用计算量较小的多重参考坐标系法代替计算量极大的滑移网格法的可行性;其二,在数值模拟中,采用二维简化模型代替三维实际模型的可行性。研究结果表明:滑移网格法与多重参考坐标系法对导流型垂直轴风力机外特性的计算结果具有相当的一致性,然而对流场内特性的计算结果存在一定的差异,这种差异在风轮迎风面中表现地较明显;二维简化模型与三维实际模型的数值计算均能获得相似的外特性曲线与相同的最佳尖速比,然而其计算的外特性参数在数值上普遍低于对应的三维模型计算结果。就导流型垂直轴风力机流场的数值模拟而言,采用二维简化模型并配合多重参考坐标系法,不...     

基于混沌理论的超大型漂浮式风力机动态响应研究

大型化后的漂浮式风力机非线性运动特征显著增强,为此以DTU 10 MW风力机为研究对象,建立NAUTILUS半潜式平台漂浮式风力机模型,在机舱内部配置调谐质量阻尼器(TMD),通过多岛遗传算法优化TMD参数,研究无TMD控制、TMD控制(未优化)及优化TMD控制下漂浮式风力机运动响应特性,并基于混沌理论,采用相空间重构...     

斜轴式高效混料机关键技术参数分析

在综合分析传统混料机的基础上,对所设计的新型斜轴式高效混料机关键技术进行参数分析。根据斜轴式混料机新型的逆向搅拌原理即搅拌筒体和搅拌轴逆向旋转,利用AUTOCAD画出二维原理图。采用DEM离散元分析方法,使用Solid Works为三维建模软件,将模型导入EDEM中,运用Hertz Mindlin(no lips)无滑动接触模型,模拟仿真混料机筒体倾斜角度、搅拌轴位置以及搅拌叶片长度变化对混合效果的影响,重点介绍简化三维模型的导入、定义仿真参数及后处理图表的分析技术。此方法分析为同类混料机的设计改进提供了方法,具有较高的实用价值。     

对转风力机的设计及流场数值模拟

基于传统单转子风力机风能利用系数低的缺点,采用改进的Wilson方法设计了一个对转风力机,减小了湍流尾流的影响,提高了风力机总的风能利用系数。研究了两转子半径比对总的风能利用系数的影响。通过三维数值模拟对所设计的风力机进行了设计工况的流动分析。研究结果表明两个转子的最佳半径比为1.5,此时总的风能利用系数能够达到0.52,风能利用系数比单转子的风力机提高了15.6%,风能利用效率得到了一定的改善。     

水平轴风力机叶片表面积灰厚度对三维气动特性影响的数值模拟

采用数值模拟方法分析了叶片表面积灰厚度对风力机三维气动特性的影响。首先,采用CFD软件包FINETM-TURBO建立风力机的三维模型,模拟叶片表面光滑的情况下风力机的三维气动特性,并与文献实验数据进行比较,验证了该模型的有效性。然后模拟了积灰厚度变化对风力机三维气动特性的影响,得到了不同积灰厚度下叶片的压力分布、速度分布的变化。结果表明,叶片表面积灰厚度对风力机叶片气动特性有较大影响:随着积灰厚度的增加,叶片两侧大部分区域风速减小,气流运动无规律性增强,压力面与吸力面压差减小,风力机效率降低。     

垂直轴风力发电机结构研究进展

与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有结构对称、风能利用率高、噪音低等优点,有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较,分析了垂直轴风力发电机的特点,简要地概述了垂直轴风力机的先后发展,分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构,阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状,最后简要地分析了设计垂直轴风力机所面临的主要问题。     

Investigation on aerodynamics and active flow control of a vertical axis wind turbine with flapped airfoil

A 2D unsteady numerical simulation with dynamic and sliding meshing techniques was conducted to solve the flow around a threeblade Vertical axis wind turbine (VAWT). The circular wakes, strip-like wakes and the shedding vortex structures interact with each other result in an extremely unstable performance. An airfoil with a trailing edge flap, based on the NACA0012 airfoil, has been designed for VAWT to improve flow field around the turbine. Strategy of flap control is applied to regulate the flap angle. The results show that the flapped airfoil has an positive effect on damping trailing edge wake separation, deferring dynamic stall and reducing the oscillating amplitude. The circular wake vortices change into strip vortices during the pitch-up interval of the airfoils. Examination of the flow details around the rotating airfoil indicates that flap control improves the dynamic stall by diminishing the trend of flow separation. Airfoil stall separation has been suppressed since the range of nominal angle of attack is narrowed down by an oscillating flap. Vortices with large intensity over rotational region are reduced by 90 %. The lift coefficient hysteresis loop of flapped airfoil acts as an O type, which represents a more stable unsteady performance. With flap control, the peak of power coefficient has increased by 10 % relative to the full blade VAWT. Obviously, the proposed flapped airfoil design combined with the active flow control significantly has shown the potential to eliminate dynamic stall and improve the aerodynamic performance and operation stability of VAWT.     

三叶片直线翼垂直轴风力机非定常流场速度分析

垂直轴风力机在回转过程中,叶片尾流的相互干涉和叶片攻角变化,使垂直轴风力机周围流场异常复杂。为探明直线翼垂直轴风力机在二维流场中速度分布及风力机叶片迎风角度变化关系,在风洞试验中采用激光多普勒测速仪(Laser Doppler velocimetry,LDV)技术,对所设计的三叶片直线翼垂直轴风力机流场风速进行试验研究,获得了该风力机叶片周围流场的速度分布情况。在建立直线翼垂直轴风力机在不同转速下叶片迎风角度变化的数学模型基础上,应用仿真软件对被测风力机流场进行分析计算。通过数学模型得知,来流风速夹角随回转角的变化情况可用正弦函数近似表示, 并且随着叶尖速比的增大逐渐减小。风洞试验和CFD结果表明,风力机在回转过程中,叶片前缘场域有乱流生成,并且该域风速值偏大;而在叶片旋转内部以及下流区域内会形成一个宽大的低速区域,并且伴随叶尖速比的增加,低速区域具有扩大趋势。     

基于滑移网格的H型垂直轴动态气动特性分析

垂直轴风力机的气动特性非常复杂,采用工程气动模型会有较大误差,因而本文针对NACA0012翼型,基于滑移网格技术,并选用Spalart-Allmaras方程湍流模型和基于压力的Simple算法对H行垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,整个计算结果通过了严格的网格数和计算区域验证。同时,本文通过对流场的分析,获得了风力机的动态失速与升阻力系数等气动特性,计算结果对H轴风力机的设计与开发具有一定理论价值。     

PIV measurements over a double bladed Darrieus-type vertical axis wind turbine: A validation benchmark

Vertical axis wind turbines (VAWTs) are very attractive for in-home power generation since they can be adopted even at low wind speeds and highly variable wind direction. Even if significant experimental research activity has been carried out to improve VAWTs performance, the ability to accurately reproduce flow field characteristics around turbine blades by CFD (computational fluid dynamics) techniques represents a powerful approach to further enhance wind turbines performance. Thanks to CFD, in fact, it is possible to reproduce flow characteristics with a detail level impossible to achieve by experiments. Nevertheless, in order to appropriately analyze the flow structure by CFD application, an accurate validation is essential, and high-quality measurements of some main flow characteristics are required. In recent publications the authors investigated, both experimentally and numerically, the performance of an innovative double bladed Darrieus-type VAWT, with the aim to define an optimal configuration also focusing on self-starting ability of the prototype by employing CFD technique. Nevertheless, comparison between experiments and numerical results was made only in terms of power and torque coefficients. To overcome such limitation, in this paper the authors propose an experimental benchmark case for CFD results validation, describing detailed flow field in correspondence of one pair of blades of the innovative Darrieus-type VAWT in static conditions. Measurements were performed employing Particle Image Velocimetry (PIV) technique on a scaled model of the turbine blades realized by 3D printing. An uncertainty analysis was also performed which showed a high accuracy of the obtained experimental results. The measurements of the main flow characteristics (bi-dimensional velocity components) were then used for a test case CFD validation of two different turbulence models.     

新能源主动支撑电网能量获取及调配策略研究

为满足新能源风电主动支撑电网的调频需求,实现风电大比例友好接入电网,分析了风机实物轴上能量获取及转化特征,推导了实物轴上惯性能变动量化公式,同时推导了变桨方式能量调配计算方法,得到三维动态联合储能及能量调配控制实现策略.然后,把风机能量调配策略应用于风机虚拟同步机控制中,设计了风机虚拟同步机控制策略,融入正常风机控制逻辑中,实现了风电主动支撑电网的控制策略.控制策略经仿真及现场实验的检验,结果表明,风机能量调配策略能精确预留风机调频备用能量,风机虚拟同步机控制能实现电网主动支撑.     

海上风力机塔架在风波联合作用下的动力响应数值分析

分析海上风力机塔架复杂的外界载荷工况,研究海上风力机圆筒形塔架在随机风载荷和波浪载荷作用下的动力响应数值分析方法。研究作用在圆筒形塔架上的气动力特别是非定常气动力与雷诺数的关系;应用线性波理论来仿真非规则的海浪,分析作用在圆筒形塔架上的波浪载荷,通过坐标变换,将二维线性波理论扩展为三维线性波理论,相应地,将平面的莫里森(MORISON)波浪力系发展成空间力系,建立波浪力的分析计算模型,以适应三维空间的分析和计算;编制非规则线性波浪力分析程序。用有限元数值分析方法,将圆筒形塔架用空间梁单元建模,求解塔架在风波联合作用下的位移、速度、加速度以及应力响应等。针对一台1.5 MW海上风力机塔架动力响应分析的算例表明：为整个海上风力机系统气动弹性分析、风力机塔架振动分析和疲劳寿命分析等提供实用的分析方法。