基于低速预处理的风力机翼型外形优化设计

针对经典的S809翼型,耦合基于低速预处理的流场求解方法和序列二次规划方法,开展针对翼型升阻比的翼型气动外形优化设计研究。优化结果显示优化翼型具有较大的翼型前缘半径和较平坦的上表面。数值计算结果表明,优化翼型在设计点1的状态下升阻比提高43.3%,在设计点2的状态下升阻比提高48.9%。进一步数值验证表明,优化翼型在雷诺数为5.0×10⁵状态下的最大升力系数从S809翼型的1.140增大到1.297,在雷诺数为1.0×10⁶状态下的最大升力系数从1.236增大到1.418。在优化翼型的基础上,开展翼型气动外形人工修型研究,数值模拟表明修型翼型能更好地消除气流分离,从而进一步增大翼型升力系数、减小翼型阻力系数。     

风剪切来流下风力机流场特性与风轮气动载荷研究

以某33 kW两叶片水平轴风力机的风轮为研究对象,采用CFD方法,研究风剪切来流下水平轴风力机流场特性与风轮气动载荷的分布规律。结果表明:在剪切来流下,风轮上游来流风速随方位角的波动曲线偏离由理论计算得到的风速波动曲线;尾流区轴向速度呈现非对称性分布,轮毂上方叶尖涡和叶根涡的移动速度大于轮毂下方叶尖涡和叶根涡的移动速度;同时,风力机叶片和风轮的气动载荷随方位角呈现正余弦的变化趋势,风轮气动载荷功率谱曲线的峰值对应的频率与叶片通过频率的整数倍相关。当风剪切指数由0.1增大到0.5时,风轮转矩和推力的均方根分别减小2.28%和1.43%,但其波动幅值随风剪切指数的增大而增大,并且风轮转矩和推力随方位角的波动曲线存在相位偏移现象,风剪切指数越大,相位偏移现象越明显;风轮偏航力矩和倾覆力矩的均方根分别增大4.07倍和4.04倍,且其波动幅值随风剪切指数的增大而增大。     

对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组气动性能的影响

对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组的气动性能至关重要,决定了风电机组叶片受力特性和功率输出特性。为研究对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组气动性能的影响,文章采用致动线方法(ALM)对一组并列式双垂直轴风电机组进行了三维数值模拟。首先,通过风洞试验数据验证了ALM预测出的垂直轴风电机组功率输出的准确性。继而使用验证后的数值方法对该并列式双垂直轴风电机组的气动性能进行了分析。结果表明:对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组的气动性能有显著影响,如不考虑相位差,并列式双垂直轴风电机组的同向旋转布置和反向逆流旋转布置会对系统的气动性能产生负面影响,而反向顺流旋转布置会产生正面影响;考虑相位差的影响时,反向逆流旋转布置仍然被证明具有负面影响,反向顺流旋转布置对气动性能的有益效果也将得到增强,但修改相位差可以减少甚至抵消由同向旋转布置引起的功率损耗。对于所采用的两叶片双垂直轴风电机组,80°的相位差和反向顺流旋转布置是最佳配置参数,与二倍单机功率相比,该布置可以使并列式双垂直轴风电机组增加约6%的功率输出。     

高原风力机与来流湍流的多尺度结构响应关系

为了解在高原环境下的大型风力机功率输出和来流湍流之间的尺度关系,以青藏高原环境下的大型水平轴风力机为研究对象,基于先进的激光雷达测量技术,通过现场实验的方法,在特定风速下,对机组持续运行1 h的湍流来流和输出功率间的尺度耦合关系进行研究与分析。结果表明: 中尺度范围的湍流尺度时滞与对流时间的比值近似于功率的延迟时间与对流时间的比值;来流湍流的间歇性特征被传递到风力机风轮上,且因湍流强度和风剪切的增加而被放大;高频区湍流对功率无明显影响。本文的研究结果可为高原地区及其他特殊工况下风力机结构响应的研究提供参考。     

不同小翼对H型垂直轴风力机叶片压力分布的影响

以翼型为NACA0012的单叶片H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟的研究方法,分析叶片两端未安装小翼和安装3种不同叶尖小翼对H型垂直轴风力机叶片表面压力分布和叶尖涡的影响。结果表明:安装小翼均可提高H型垂直轴风力机的最大转矩系数,其中安装Winglet可提高H型垂直轴风力机起动力矩;增加叶尖小翼均对消除叶尖涡有利;H型垂直轴风力机叶片两端安装Winglet小翼较其他两种小翼效果好。     

山区湍流特征及其对风力机功率的影响

为研究山地地形大气湍流关键特征参数的变化规律及其对风力机功率的影响，以云南某山地风电场山脊处一大型风力发电机组为研究对象，采用遥感技术研究风力机来流的风速、风向、湍流强度、湍动能和湍流耗散率的分布特征，并分析上述参数对机组功率的影响。结果表明:山地地形中来流参数昼夜特征明显；在垂直于来流方向，地形的影响区域集中在距离地面79 m的范围内，湍动能与湍流耗散率在垂直方向成反比；风速与湍流耗散率具有良好的正相关性；来流特征参数在不同风速区间对风力机功率的影响存在较大差异，湍动能对风力机功率的影响程度最低，为1.49%，但湍流强度对风力机功率的影响程度高达4%。