基于SONAH的旋转风轮声源识别实验研究

在风洞开口实验段,针对不同风速及不同叶尖速比,应用Brükel&Kj?r公司60通道轮型声阵列及声信号采集系统对直径为1.4 m的S翼型风轮进行声场测试,并采用统计最优近场声全息(SONAH)技术进行旋转风轮低频噪声源识别及频域特征分析。实验结果表明:最大声强度是旋转叶片产生的基频噪声,其对应总声压级随风速增加呈函数f (x)=-0.0092x⁴+0.297x³-3.7403x²+23.186x+49.274增加,随叶尖速比增加呈函数f(x)=0.4467x⁴-10.273x³+87.728x²-328.75x+567.23增加;识别的噪声源最大能量中心集中于翼展位置约0.545 m,相对半径r/R=0.778处,且不随风速和尖速比的改变而改变。     

风力机近尾迹区域涡量变化规律及噪声的数值预测

采用大涡模拟(LES)和标准κ-ε模型求解风力机近尾迹区域的非定常流动,获得涡量场信息和声源项信息,采用快速傅里叶变换将源项的时域信息转换为频域信息,利用K-FWH声学模型预测其噪声特性。结果表明,风轮在旋转过程中,风力机风轮下游同一截面在不同尖速比下涡量分布规律是从计算截面中心沿半径增大的方向分别经过3个压力脉动变化强烈的区域,它们是计算圆心区域、中心涡区域、叶尖涡区域,计算点在上述3个区域都会出现涡量的峰值;在同一尖速比不同截面下,风轮近尾迹区域涡量的变化规律是沿着X轴正方向远离风轮旋转平面计算截面上的中心涡区域和叶尖涡区域的半径增大,不断向外迁移;计算截面的最大声压级的数值计算值和试验值吻合较好,证明了噪声计算模型的正确性。     

基于流固耦合的风力机气动噪声影响研究

考虑风力机叶片与空气的流固耦合作用,基于ANSYS workbench工作平台,采用双向流固耦合的方法,模拟预测风力机的气动噪声,并与额定工况下的实验数据对比。结果发现:耦合作用下风力机气动噪声增大,且耦合模拟得到的气动噪声声压级与实验值更为接近,证明计算模型的准确性;风轮后的辐射声最大声压级在叶片径向0.57R~0.71R位置,风力机叶片与空气的流固耦合作用,增大了辐射声的声压级,而对于辐射声的传播规律影响很小;耦合作用下随尖速比的增加,相同位置气动噪声的声压级呈现缓慢增大的趋势,不同尖速比下气动噪声的声压级随轴向距离的增加变化规律大致相同,均呈不断减小的趋势。     

基于PIV测试的风轮主要声源区域雷诺应力特征分析

为了获悉风轮主要声源区域的流动机理,在风洞开口段,在不同风速和尖速比下,文章对风轮展向X/C=0.5区域不同相对弦长处的流场进行了PIV测试。测试结果表明:由于翼型表面发生流动分离导致流体速度脉动,雷诺应力迅速增加,使叶片与来流相互作用产生压力脉冲;随着相对弦长的增加,雷诺应力均有不同程度的增大,当X/C为0.4~0.8时,雷诺应力的变化最为明显;对比不同风速、尖速比、相对弦长处的雷诺应力数据发现,随着尖速比的增加,雷诺应力增大最明显的区域向前缘移动,流动分离位置提前,而风速变化对流动分离位置没有影响;发生流动分离后的主要声源区域的雷诺应力呈现单峰值,流体脉动程度较剧烈;对比不同工况下主要声源最大声压级和X/C=1处中心最大雷诺应力值发现,两者变化趋势一致且易受尖速比变化的影响。文章以实验测试的方法揭示了风轮主要声源区域雷诺应力表现的流动特征,研究成果对于叶片的优化设计和降噪方法的改进提供了可行的解决思路。     

气动力与离心力对风力机叶片应变特性的影响

利用有限元理论,基于Ansys Workbench工作平台,针对某小型水平轴风力发电机组,计算了不同工况时叶片应变特性的变化。计算结果显示:叶片在气动力作用下最大应变位置位于叶根与叶片径向的0.65 R处、叶片在离心力作用下最大应变位置位于叶根处;在恒定来流风速、低尖速比时,气动力引起的叶片应变大于离心力引起的应变,但随着尖速比的增加,离心力引起的应变值大于气动力作用时的应变值,其原因为离心力正比于尖速比和风速乘积的二次方,而气动载荷仅正比于风速的二次方;气动力与离心力耦合作用时,最大应变位置位于叶根处,离心力与气动力耦合作用时引起的应变不等于离心力与气动力单独作用引起应变之和。研究结果可为风力机叶片机械强度设计提供一定的理论支撑。     

风力机叶片叶根应力集中区应力状态实验研究

为分析风力机叶片旋转时叶根应力集中区的平面应力状态,采用旋转机械应力应变无线遥测技术,通过叶根最大弦长处压力面应变花测点的布置,在直流式低速风洞开口段进行实验研究,结果表明:在额定风速8 m/s,尖速比由4.5增至6.5的过程中,直角应变花3个方位线应变的绝对值逐渐增大,且沿叶片展向0°方位和45°方位的线应变为正值,以拉弯应变为主,90°方位的应变为负值,受叶片压力面载荷的挤压作用所致;翼型截面弦向测点的最大主应力值大于相应测点的最大剪切应力值,且随着尖速比的增加均增大,其较大值均出现在靠近截面形心的翼型表面,是叶片易受损的危险位置;最大主应力方位角受翼型截面的几何形状和载荷作用效果的影响,自前缘向后缘发展并不呈现一致的规律性。该研究为分析和判断叶片裂纹、预测损坏部位提供直接的实验依据。     

风力机近尾迹叶尖区域气动噪声变化规律的数值研究

在采用LES计算流场的基础上,提高时间分辨率,利用K-FWH方程所定义的声源积分面形成声波辐射特征,采集设计来流风速最佳攻角状态下叶轮尾迹流场的声场数据。重点研究风轮叶尖尾迹区域高幅值的频率噪声及其谐波分布和传播以及不同区域噪声相互影响的声辐射特征。计算结果表明:风轮在旋转过程中,叶轮基频声压能量在叶轮尾迹声辐射中占主导地位,而且由叶尖涡引起的涡流声辐射也较重要,基频谐波的能量耗散相对较慢,致使频谱图中峰值部位较多,但随着频率的不断增加,基频谐波的能量耗散速率也在加快。叶尖涡的运动轨迹,随着监测点远离旋转中心沿X轴正向距离的增大,具有叶尖涡影响的声压值变化特征的监测点沿径向外移并近似于线性关系。     

偏航工况下风力机叶片绕流流场特性的探究

为研究偏航工况下风力机叶片绕流的流场特性,采用粒子图像测速(PIV)技术,偏航30°时在不同风速和不同叶尖速比工况下,对水平轴风力机叶片吸力面的近壁面流场进行实验研究。结果表明:沿叶片展向,从相对半径0.71 r/R～1.07 r/R位置处,轴向平均速度和平均动能逐渐增大,最大增长率分别为22.7%和49.3%,尖速比对平均动能较轴向平均速度影响大;轴向脉动速度呈先减小后增大的趋势,在相对半径0.85 r/R附近降到最低。该文以实验测试的方法揭示了偏航工况下叶片绕流的流场特性,实验数据可为叶片制造和设计提供参考。     

实度对低风速风电机组风轮气动性能影响研究

为提高低风速地区的风能利用率,研究风轮实度对低风速风电机组气动性能的影响。考虑影响风轮实度因素（叶片数量、弦长及安装角）,设计2组不同弦长叶片与可调安装角轮毂。安装角改变时不仅会引起实度变化,还会使叶尖速比发生改变。通过车载试验验证安装角不同时对风轮气动性能的影响主要与叶尖速比相关。根据不同风轮表面压力分布数值模拟结果得出：相同风速下,弦长由叶根到叶尖逐渐增大的叶片更易启动。相同条件下,试验机组输出功率与数值模拟机组输出功率最大相差5.37%,说明数值模拟结果可信。随着风轮实度的增加,风速5 m/s时,其风能利用系数呈增大趋势,风速8 m/s时,其风能利用系数呈减小趋势,两趋势相交时实度为25.38%,得出该实度下风轮气动性能较优,即可得到适合低风速地区的风轮实度。     

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.     

叶片数目对风力机等效风速空间分布的影响研究

提出一种具有普适性的n-叶片风力发电机等效风速分布模型,并建立等效风速变换因数Weq的数学描述。采用Matlab数值模拟等效风速在不同叶片数目n、风轮半径r、风轮方位角度β下的空间分布,分析比较了2-叶片风轮、3-叶片风轮和4-叶片风轮的等效风速空间分布特点。研究结果表明等效风速值在整个风轮扫略面内随相关参数的变化具有不同的空间分布特性和规律。     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

扰动入流对风力机声辐射影响研究

基于漩涡法和实验条件修正入口边界条件,结合延迟分离涡湍流模型和K-FWH方程对某S翼型水平轴风力机进行三维非定常数值模拟,对比分析扰动入流对风轮表面脉动压力、辐射声频谱和声辐射传播的影响,并将相应数值模拟结果与实验数据进行对比分析。结果表明:扰动入流下,叶片表面各峰值脉动压力幅值不同,辐射声中高频宽带噪声出现新的峰值;总声压级在叶片径向0.57R处最大,随轴向距离的增大,总声压级下降,且在轴向距离小于500 mm时下降最快,接近叶尖位置测试线声压级出现和实验一致的跳变现象。     

偏航流动对水平轴风力机声辐射影响研究

风力机处于复杂多变的自然风条件下,经常处于偏航状态。文章运用分离涡方法(DES)寻找偏航流动对水平轴风力机声辐射的影响。结果表明:随偏航角度的增加,风轮输出功率减小;垂直风轮旋转面和平行来流方向的测试线上,总声压级都随着远离风轮旋转面逐渐衰减,且随着偏航角的增大,平行来流方向测试线上的声压级降低较快;在不偏航流动下平行于风轮旋转面的声压级,沿旋转方向基本相同,在偏航流动下,随偏航角度的增大而降低;平行于入口面上距离声源面近的一侧声压级较大,且随偏航角的增加逐渐升高;叶尖处声压级最大,中心轴上最小。DES方法用于风力机声辐射的模拟研究是可行的,对风力机气动噪声研究具有一定的参考价值。     

叶顶形状对轴流风机气动噪声影响的数值研究

以某两级动叶可调轴流风机为例,采用Fluent软件对5种改进的叶顶形状下的风机性能进行了模拟,并引入大涡模拟和FW-H声学模型获得了不同叶顶形状下风机的噪声源分布和气动噪声特征.结果表明:5种叶顶形状均可有效提高风机性能,提升效果依次为逆流向斜槽、双斜槽、上阶梯叶顶和下阶梯叶顶,而顺流向斜槽仅在小体积流量下使得风机性能明显提升;叶顶形状改进后,叶顶泄漏涡的影响增强,造成叶顶区和叶片前缘噪声显著增大,为风机内主要噪声源;风机各区域的声压幅值均受显著影响,且越靠近噪声源,受影响越突出;该风机内噪声主要以中低频的旋转噪声为主,各区域噪声均在基频位置达到最大值,叶顶形状改进后声压级随频率增大发生小幅提高,频谱形态发生明显改变.     

水平轴风力机叶片扭角和弦长的理想分布

为得到风力机功率、转矩和推力等性能随尖速比和翼型升阻比变化的极限公式,需求解叶片的理想扭角和弦长沿翼展变化的解析表达式,同时这项研究也可为叶片外形设计提供理论参考。为此首先从效率最大化的原则出发,用极值的微分算法证明最佳攻角就是使翼型升阻比最大的攻角;其次利用最佳攻角和入流角公式推导出叶片理想扭角沿展向的解析表达式;然后根据动量-叶素理论,推导出叶片理想弦长沿展向的解析表达式。研究表明:叶片理想扭角是设计尖速比、最佳攻角和风轮半径的函数,叶片理想弦长是设计尖速比、风轮半径以及对应最佳攻角的升力和阻力系数的函数。这两个表达式均可表示为显函数的形式。     

基于Wilson法风力机叶片设计及试验研究

基于MATLAB平台,采用Wilson方法设计了1台300 W水平轴风力机,通过筛选选择某S翼型进行叶片设计,并对其气动性能进行了计算。计算结果表明,S翼型风轮有效尖速比范围较宽,功率系数CP值在0.3以上的区域所对应的尖速比λ为4¹0.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为310.5,整体的功率系数变化平缓;最大推力系数CT在高尖速比时变化平稳;有效转矩系数CM为3¹2.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为412.3,S翼型叶片气动性能较好。自制风力机样机在低速风洞中进行试验,试验结果表明,在风速为4¹4 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为414 m/s时,与市场上某300 W传统翼型风力机相比,S翼型风力机功率平均提高了30.76%,尤其在风速为4⁶ m/s时,S翼型风力机功率提高较大,可以更好地利用中低风速。通过计算和试验研究可知,该S翼型适用于小型风力机叶片的设计。     

水平轴风力机叶尖翼型截面流场的试验研究

利用线式互相关粒子图像测速(PIV)系统和轴编码器锁相技术,测量了不同尖速比下旋转水平轴风力机叶尖处的流场,获得了风轮叶尖处的瞬时速度场,并通过Tecplot软件处理得到了相应的时均速度场、速度云图及流线图.对瞬时图分析可知:在同一尖速比下,叶尖涡的出现使速度亏损值增加,风轮功率下降;在高尖速比下,流场中叶尖涡出现频率较高,有明显的旋涡结构出现,但随着尖速比的减小,叶尖涡出现的频率降低,只有形成的趋势,在尖速比λ-4的工况下,没有完整的涡出现.通过分析时均图表明:随着尖速比的增加,上游空气通过叶尖后的动能损失增大,叶尖尾迹区内的速度亏损范围增大.     

基于叶片弯振后风轮尾迹流动及气动噪声研究

基于动网格技术,通过编写UDF代码成功实现了叶片的一阶弯振及一二阶叠加弯振。数值模拟过程中,采用大涡模拟(LES)分析刚性叶片与低阶弯振后风轮近尾迹速度与涡量特征。运用FW-H方程,以风轮表面为声源面,通过选取不同测试线上的监测点分析叶片不同运动状态下辐射声频谱及声压级变化。研究结果表明:施加振动后,在0.71R处出现轴向速度亏损,且在叶尖位置亏损最大;振动风轮整体噪声增大。文章通过研究模拟振动风轮的尾迹流动和噪声分析,为实际运行的风力机产生的气动噪声及声辐射传播特性提供一定参考。     

有弯度翼型垂直轴风力机的数值模拟研究

应用计算流体动力学有限体积法SIMPLE算法,配合SST k-ω湍流模型和滑动网格技术模拟分析了有弯度翼型4叶片垂直轴风力机的气动特性,以其作为有弯度翼型垂直轴风力机设计的参考依据。研究结果发现,在入口流速为10 m/s,尖速比为1.6时,该种风力机单个叶片的瞬时力矩系数为-0.03～0.18,并且在一个转动周期内正的瞬时力矩系数历时较长;整个风轮的的力矩系数在尖速比为1.6左右时达到最大值,功率系数在尖速比为1.7左右时达到最大值。