基于涡尾迹方法的风力机非定常气动特性计算

给出了一种水平轴风力机三维非定常气动特性计算方法.风力机的绕流用预定涡尾迹模型确定,并引入涡核模型和考虑粘性引起的耗散效应对模型进行修正,解决了涡尾迹方法在大叶尖速比时普遍存在的计算发散问题.通过对Leishman-Beddoes动态失速模型中动态失速判据和模拟的修正,更准确计算侧偏风时风轮叶片的非定常气动响应.将三维旋转失速延迟模型与预定涡尾迹模型和动态失速模型适当耦合,从而计算包括三维旋转效应对叶片气动载荷非定常响应的影响,提高了风力机风轮和叶片非定常气动特性计算的准确度.     

H型垂直轴风力机气动设计参数分析

采用多流管模型分析了H型垂直风力机展弦比和实度对其功率系数的影响,并对叶片旋转过程中攻角随尖速比的变化进行了分析。结果表明,在H型垂直风力机气动设计中展弦比为15时,其最大功率系数为展向无限长时的最大功率系数的88.0%;而实度在0.1~0.3时最大功率系数较大。     

改进型格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响

为了提升垂直轴风力机获能效率,为风力机叶片加装格尼襟翼并对格尼襟翼进行改进,通过数值模拟研究了两种格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响。研究发现：当尖速比为3.1、实度为0.250时,原始格尼襟翼可提升10.92%的风能利用系数,改进型格尼襟翼可提升17.92%。在不同实度,改进型格尼襟翼在高尖速比时可较好地提升气动性能,而原始格尼襟翼在低尖速比时可较好地提升气动性能。当实度增大时,由于叶片间尾迹影响加剧而导致风能利用系数下降,但载荷波动情况得到改善;当实度为0.416时,载荷波动最小。     

实度对垂直轴风力机性能影响的风洞试验

实度是影响垂直轴风力机性能的一个重要参数。采用风洞试验的方法对小型垂直轴风力机风轮实度进行了研究,试验主要以叶片个数和风力机半径这两个参数为研究对象,共设置了6种组合,得到5种不同实度。测试了不同实度下垂直轴风力机在启动后的低转速阶段的力矩和功率特性,分析了实度对垂直轴风力机输出性能的影响。分析结果表明,在风力机半径相同的情况下,实度最小的风力机的最大力矩系数和功率系数最大;实度相同时,风力机获得最大力矩系数的尖速比基本相同,实度越小,获得最大力矩系数的时间越晚。     

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。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。     

基于滑移网格的H型风力机叶片设计与气动性能研究

对基于风光互补型的H型风力机进行了叶片设计,建立了风力机的三维模型,用FLUENT软件求解时采用滑移网格技术,基于N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,分析了三叶片风轮在不同安装角下的全三维非定常流模拟动;模拟结果得出风力机在不同安装角时的风能利用率随尖速比的变化曲线以及风轮的功率随转速的变化曲线;得到了所设计风力机的最佳安装角,对确定风力机的最佳运行工况提供了依据。     

基于不同叶片安装角的小型垂直轴风轮气动性能分析

针对不同安装角下的小型垂直轴风轮模型,建立风轮外流场CFD模型,采用移动网格技术,选用SST二维湍流模型和基于压力隐式耦合算法进行瞬态计算,获得风轮气动性能曲线,进而分析不同叶片安装角对小型H型垂直轴风力机风轮功率特性的影响,得出不同尖速比下使风轮获得最大风能利用率的最佳安装角。     

水平轴风力机近尾迹流场数值模拟

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,对风轮的近尾迹流场进行了数值模拟,获得了风轮近尾迹流场的速度分布特点、尾迹的流动发展规律等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了参考依据。     

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。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性.基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比(TSR)下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布.结果表明:不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减...     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

Helical vortex theory and blade element analysis of multi-bladed windmills

Multi-bladed windmills usually pump water for agriculture and domestic consumption, often in remote locations. Although they have been around for over 150 years, their aerodynamic performance is still poorly understood. This paper describes the use of helical vortex theory (HVT) and blade element momentum (BEM) analysis to predict windmill thrust, torque, and extracted power. We emphasize the unusual features of windmills: low Reynolds numbers and tip speed ratios and high solidity, all related to the generation of high torque at low wind speeds. Wind tunnel tests on a model rotor with 3, 6, 12, and 24 circular-arc, constant-chord blades determined the thrust, torque, and extracted power over a range of tip speed ratio that extended to runaway. For comparison, BEM was implemented with a correction for finite blade number derived from HVT, as well as the classical Prandtl tip loss factor. The HVT correction predicted the rotor power coefficient to within 3% of the test data on the average. At low tip speed ratios and smaller blade numbers, HVT was consistently more accurate than the Prandtl factor. At all blade numbers, the measured rotor torque exceeded the BEM predictions at the lowest tip speed ratios indicating stall delay which became more important (and more beneficial for windmill performance) as the blade number increased. The Prandtl formulation predicted the thrust to within a mean accuracy of 13% and was more accurate than the HVT method.     

水平轴风力机气动性能计算模型

基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型,考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正,并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响,使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对一台1．3MW的失速调节风力机进行了气动性能计算,与国外大型商业软件的计算结果取得了良好的一致性,从而验证了模型的正确性和实用性。     

大型失速型风力发电机动态特性研究

通过分析主动失速型机组的来流风速、气动、机械传动与发电机等部件的机理,建立了机组各主要部件的子系统模型(如气动模型、传动模型、发电机暂态模型、补偿电容模型、电网模型和控制系统模型等),近而得到了全系统的动态非线性模型。通过对机组全系统动态机理模型的数字仿真,得到机组在特定来流工况条件下的动态特性。所建立的模型和仿真结果为今后研究风电场与电网之间的相互影响提供了理论基础。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

基于BEDDOES-LEISHMAN动态失速模型的水平轴风力机动态气动载荷计算方法

从对附着流和分离流的建模两方面阐述了Beddoes-Leishman动态失速模型.基于Beddoes-Leishman模型开发了动态失速数值计算程序,并将其集成到了现有的风力机气动载荷分析软件中.利用所开发的程序,计算了NACA 63-418翼型的动态失速特性,分析了平均攻角、衰减频率和马赫数的变化对动态失速特性的影响.仿真了一台1.5MW变速恒频风电机组的发电工况,结果表明,动态失速对风力机的动态气动载荷有极大影响,在进行动态载荷仿真时必须予以充分考虑.     

带失速延迟模型的改进型升力线法预测风力机性能

采用带Du-Selig静态失速延迟模型的改进升力线法对风力机不同来流风速下的性能进行预测,静态失速延迟模型可以弥补对输出功率的低估;还分析了来流风速在7.0~10.0m/s时沿径向的攻角分布以及有无失速延迟模型时的升阻力系数分布。通过比较发现在中间叶高处出现最大攻角,相应地在该叶高位置最先发生流动分离。