吹气控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响

为改善垂直轴风力机周围流场结构并提升气动性能,在风力机叶片中采用外吹式流动控制,并提出5种吹气控制策略,通过数值模拟的方法研究不同吹气控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响,进一步分析在最佳吹气流动控制策略时的涡量场与载荷波动。研究表明:采用上开口抛物线控制策略时的风力机气动性能最佳,当最大吹气动量系数为0. 025时,风能利用系数及平均力矩系数提升26%,并可抑制大涡的形成及发展,同时改善翼型表面压力分布。     

尾缘非定常射流襟翼对垂直轴风力机气动特性影响研究

为提升垂直轴风力机气动性能并改善其动态失速特性,将射流襟翼布置于翼型尾缘压力面,并提出5种射流控制策略,采用计算流体力学方法研究不同策略对垂直轴风力机气动性能影响,从而确定最佳控制策略。结果表明：在180°~360°相位角范围内施加射流控制可使风力机风能利用系数在最佳尖速比下提升31.31%,并有效抑制吸力面尾缘涡形成与发展,增大翼面两侧压差;射流越靠近尾缘,垂直轴风力机气动性能提升效果越好。     

尾缘襟翼动态气动特性与控制策略研究

为改善风力机动态气动特性及延长其运行寿命,基于NACA0012翼型,设计应用于垂直轴风力机的襟翼翼型,通过CFD计算得到运行时流场、力矩系数及升阻力特性。以此为基础给出两种襟翼控制策略,通过改变不同方位角下襟翼摆角,达到抑制尾涡分离、延迟动态失速和降低气动力剧烈波动变化幅度的目的。计算结果显示翼型上仰过程中脱落的涡主要呈条状,而下俯过程中脱落的涡则呈圆形,且条状尾涡的升阻力特性明显优于圆形尾涡。由此提出一种减幅控制策略,极大地减少了尾涡分离现象,减小最大转矩达50%。同时为防止风力机转速过快,提出一种襟翼控制策略调节翼型失速从而达到气动刹车效果,增大襟翼摆角可促使翼型尾缘失速涡快速脱落,迅速增大翼型的阻力系数,且随襟翼摆角的增大,力矩系数也随之减小,减速效果越明显。     

改进型格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响

直线翼垂直轴风力机气动效率普遍较低,为此提出一种具有内侧、外侧、双侧格尼襟翼和凹槽格尼襟翼的翼型叶片以提升其气动性能。通过数值模拟研究6种新型叶片对垂直轴风力机风能利用率、力矩系数、流场结构和叶片切向力等气动性能的影响。结果表明：6种格尼襟翼叶片均可在一定尖速比（TSR）范围内提高风能利用率,外侧凹槽格尼襟翼最大风能利用率可提高17.92％;外侧格尼襟翼与双侧凹槽格尼襟翼相比原始叶片可有效降低风力机载荷波动并提高平均力矩系数;双侧dimple-GF可改善动态失速特性,明显抑制旋涡发展;单叶片切向力在上游区明显增大,有效提高了风力机气动性能。     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

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。     

分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

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。     

尾缘主动式凹槽-襟翼垂直轴风力机气动性能研究

针对垂直轴风力机实际运行过程中叶片攻角随相位角周期性变化引发的气动性能降低问题,提出主动式凹槽-襟翼结构.以NACA0021翼型为研究对象,采用计算流体力学方法对不同控制策略下凹槽-襟翼结构进行了数值分析.结果 表明:与传统固定凹槽-襟翼相比,垂直轴风力机叶片尾缘布置主动式凹槽-襟翼时气动效率最高可提升36.78％;凹...     

分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。     

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...     

风力机叶片气动降载与流动分离控制技术综述

风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力,提高叶片气动效率,有必要采用先进有效的流动控制技术以满足叶片气动降载与流动分离控制的需求。针对当前主流的流动控制技术进行了介绍,并对较具发展潜力的尾缘襟翼与自适应襟翼研究现状进行了重点介绍。现阶段流动控制技术并未在风力机叶片中得到广泛应用,一方面在于流动控制技术尚难与叶片现有主体控制技术相结合,以达到相辅相成的控制效果;另一方面在于对于部分控制技术,如自适应襟翼等,其控制特点尤其是其在风力机实际运行中的控制特点尚不明确。后续研究中,对于叶片气动降载,应结合更为先进的控制方法与更可靠的研究手段开展尾缘襟翼控制与叶片主体控制的协同控制研究;对于流动分离控制技术,应侧重于改善被动控制技术在非适用工况下的不良影响,同时开展流动控制技术在整机中的实验与数值研究,加快流动分离控制技术的实际应用。     

A CFD study into the influence of unsteady aerodynamic interference on wind turbine surge motion

To improve knowledge of the unsteady aerodynamic characteristics and interference effects of a floating offshore wind turbine (FOWT), this article focuses on the platform surge motion of a full configuration wind turbine with the rotating blades, hub, nacelle, and tower shapes. Unsteady aerodynamic analyses considering the moving motion of an entire configuration wind turbine have been conducted using an advanced computational fluid dynamics (CFD) and a conventional blade element momentum (BEM) analyses. The present CFD simulation is based on an advanced overset moving grid method to accurately consider the local and global motion of a three-dimensional wind turbine. The effects of various oscillation frequencies and amplitudes of the platform surge motion have been widely investigated herein. Three-dimensional unsteady flow fields around the moving wind turbine with rotating blades are graphically presented in detail. Complex flow interactions among blade tip vortices, tower shedding vortices, and turbulent wakes are physically observed. Comparisons of different aerodynamic analyses under the periodic surge motions are summarized to show the potential distinction among applied numerical methods. The present result indicates that the unsteady aerodynamic thrust and power tend to vary considerably depending on the oscillation frequency and amplitude of the surge motion.     

水平轴风力机的推力型工作原理

在水平轴风力机升力型工作原理的基础上提出一种新的推力型工作原理,提供一项显著提高风力机风能利用系数的桨尖喷气技术,即充分利用传统升力型风力机风轮旋转离心力在除去整流罩的空心轮毂内产生的低压,将轮毂前方的气体吸入,并通过中空的桨叶,再从桨尖处预先设置的切向孔中与旋转方向反向喷出,从而产生推动风轮旋转的“辅助”转矩,并使发电量和风能利用系数大大提高。大量的风洞对比实验证明,桨尖喷气技术可以提高风力机输出功率30%以上。     

大型风力机风轮气动不平衡的特性研究与验证

为了研究和探索风轮气动不平衡的物理特性,以某2.0 MW三叶片水平轴风力机为研究对象,采用计算机仿真及试验相结合的方法,研究风轮气动不平衡对机组动力学特性、气动性能及气动载荷的影响研究。通过气动特性分析和动力学分析表明,随着风轮叶片安装角的不平衡度增大,其机组性能逐渐下降,塔顶的载荷波动逐渐增大,叶片的挥舞载荷出现明显差异,机舱振动加速度变大。对塔顶振动加速度进行快速傅里叶变换分析,出现明显特征变化。研究过程表明,监测机舱振动加速度和机组功率曲线能有效识别机组气动不平衡程度。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。