偏航工况下水平轴风力机气动性能数值分析

基于计算流体力学方法(CFD),通过求解URANS方程与SST湍流模型,对Tj?reborg 2 MW风力机风轮在偏航角0°、10°、30°工况下的气动特性进行计算,结果表明数值计算的功率与实验值吻合较好。分析不同偏航角下风轮的功率、推力、叶片各截面切向力、法向力载荷和压力分布的变化规律。偏航工况下一个旋转周期内风轮功率、推力呈现3P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现正弦交变性质,最大载荷发生在方位角90°附近区域。     

偏航工况下水平轴风力机叶片气动变形数值模拟研究

以非定常叶素动量方法和水平轴风力机结构动力学为基础,建立风力机气弹计算的仿真程序,将偏航模型耦合进气弹程序中,针对某5 MW水平轴风力机进行仿真计算,分析比较了该风力机在不同偏航角工况下叶片变形沿径向和周向的分布情况,总结了不同偏航工况对风力机叶片变形的影响规律。研究结果对风力机叶片设计和疲劳寿命的预测有一定的指导意义。     

水平轴风力机稳定偏航气动性能计算

采用涡流柱理论替代动量叶素理论(Blade Element Momentum,BEM)中的动量理论建立了风力机处于稳定偏航时的气动性能计算模型,考虑了叶根旋涡和偏航引起的流动膨胀对诱导速度的贡献.计算结果与文献实验数据的比较表明:轴流来流状态时能较好的预测平均诱导速度因子,攻角的误差是由普朗特(Prandtl)叶尖/轮毂损失模型的不足引起;偏航工况时,在叶片中部攻角预测较为准确,但将叶根旋涡简化为半无限长涡丝以及忽略桨盘上环量沿展向和周向的变化会使得叶根和叶尖处的攻角计算误差较大.     

风轮偏航对风力机气动性能数值模拟分析研究

建立了风轮偏航15°的风力机整机计算模型,运用FLUENT软件对该模型进行气动数值模拟。分析额定工况下,偏航对风力机表面气流速度、压力、风力机前后速度分布和静压力的影响。     

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟

采用基于滑移网格模型的三维非稳态CFD方法,对NREL Phase VI风力机在偏航工况下的动态失速特性进行计算,分析旋转周期内翼型攻角和升力系数的变化,并进一步分析非稳态流动对动态失速的影响。结果表明:偏航工况时,来流风的水平分量和翼型的非稳态绕流会延缓气流分离涡的形成和失速现象的发生,伴随的动态失速现象会显著增加叶片的动态负荷;越靠近叶根动态失速特征越明显,翼型承受的非稳态升力系数最大可达静态升力系数的5倍以上,升力系数迟滞环面积也更大。计算结果能够为风力机优化设计和运行提供理论指导。     

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下,受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明：随着偏航角的增加,输出功率以二阶余弦函数下降,推力以一阶余弦函数下降;动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°～22°的相移;法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关,三倍频分量与偏航无相关性;其中,风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。     

偏航工况风力机叶片流固耦合特性研究

采用流固耦合方法对Tj?reborg风力机叶片在偏航工况下的三维流固耦合性能进行计算和分析。首先进行网格无关性验证,在此基础上,对轴向来流和偏航角分别为10°和30°的风力机叶片三维流固耦合性能进行计算和分析。结果表明:风力机偏航运行时风力机输出功率降低;偏航工况下叶片的变形和应力均呈非对称性分布,偏航时风力机最大叶片变形和应力集中情况较轴向来流严重。     

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...     

偏航尾迹特性及对下游风力机的影响研究

通过非定常CFD方法模拟在大气边界层影响下2台串列布置的全尺寸5 MW风力机组,研究使用尾迹的偏移效应及其对下游风力机的影响。结果表明:上游风力机偏航30°可有效提高风场全局发电量;速度场分析显示偏航风力机的尾迹在传播过程中逐渐扭曲,尽管尾迹中心偏移距离与经验模型吻合,但功率曲线表明该尾迹经验模型或低估了偏航尾迹对下游风力机的影响。     

浮式风力机横荡运动下气动特性分析

浮式平台的横荡运动会影响到风力机相对入流速度以及叶轮-尾流的相互作用,导致浮式风力机的气动特性更为复杂.基于升力面自由尾迹模型,以NREL 5 MW全尺寸浮式风力机作为研究对象,分析在横荡运动下浮式风力机整机性能以及叶片非定常气动特性,并探究其作用机理.研究表明,横荡运行下,远场尾迹对叶片的诱导作用减小,整机的功率及推...     

风力机主动柔性翼型气动特性研究

选取NREL S809翼型进行柔性尾缘翼型的数值计算,其中静态特性计算采用势流方程与边界层方程耦合,动态特性计算采用RANS方程与湍流模型进行CFD求解,尾缘几何变形采用C语言编程通过插值拟合完成,柔性翼型周围区域流场划分采用动网格技术实现。通过数值分析,研究了翼型变形后的静态气动特性差异、柔性翼型表面压力分布及动态气动特性随尾缘摆角的变化规律。     

偏航与变桨工况对风力机尾流特性影响研究

风力机的偏航与变桨可有效降低风轮对风能的捕获能力.为分析风力机处于变桨与偏航两种状态下其尾流及输出功率特征,文中采用修正的风力机致动线模型,以NREL 5 MW为研究对象,结合大涡方法,从两种偏航角度(以+z为轴顺时针旋转10°和15°)、两种变桨角度(增大桨距角12°和减小桨距角8°)展开模拟研究.研究结果表明:风力...     

低空急流条件下水平轴风力机风轮气动特性的研究

为阐明低空急流条件下风力机风轮的气动特性,基于工程化的边界层风速模型和Von Karman谱模型建立不同来流的脉动风场,对比研究低空急流条件下NREL 5 MW风力机风轮的输出功率和气动载荷的变化规律。结果表明:如果仅以轮毂高度处的风速作为风力机变桨控制的依据,与均匀来流和剪切来流相比较,低空急流条件下,虽然来流风功率明显增大,但风轮的输出功率在较高风速时反而减小;风轮所受的不平衡气动载荷,包括横向力、纵向力、偏航力矩和倾覆力矩在较高风速时小于剪切来流的结果;且仅以轮毂高度处的风速预测得到的风轮输出功率高于实际结果,其最大相对误差为89.4%。因此,低空急流条件下,为提高风能利用率和风轮输出功率的预测精度,应考虑不同高度位置处的风速大小对风力机进行变桨控制和功率预测。     

帆式风力机风轮气动特性的试验研究

我国帆式风力机的利用历史十分悠久,它在农业生产和制盐业中发挥着积极作用,其特点是结构简单,造价低,使用方便。为了充分发挥帆式风力机的效能,提高风能转换效率,较准确地评价风轮的气动特性,为风力机、配套水泵的设计提供依据,我们对常用的帆式风力机的风轮模型在风洞中进行了气动特性试验,在风洞中分别测定了不同参数的12组叶片的空气动力特性和最低起动风速。这12组叶片是由     

固定偏航下风力机输出功率及涡声关系的研究

文章研究了偏航条件下风力机的出力及气动噪声,对固定偏航下的风力机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:偏航角每增加10°,升力系数平均值分别降低2.0%,5.7%,10.6%,输出功率分别下降为3.90%,11.11%,19.77%;随着偏航角的增加,中心涡扩散区域增大,涡量强度增强,声压级也相对较强;中心涡对尾迹声辐射的影响长度较长,叶尖涡影响长度较短。     

涡模型对风力机气动特性的影响研究

比较了4种涡模型的诱导速度分布特征,包括两种层流涡模型和两种湍流涡模型。分别将4种涡模型应用至自由涡尾迹方法的尾涡诱导速度计算中,分析涡模型对风力机低速轴扭矩和尾流的影响。研究表明,在大风速下,湍流涡模型更能真实地反映流动状态;各个模型均能较好地捕捉流场结构和叶尖涡,层流涡模型的尾流涡量更集中,但耗散更快,湍流涡模型的涡量分布均匀,且耗散慢;涡模型对风力机近尾迹区域的尾流风速影响,比对远尾迹区域尾流风速的影响大。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

风力机偏航引起的失稳振动

根据风力机偏航系统的结构和偏航原理,建立塔架扭转振动的模型.基于塔架扭振运动方程,引入摩擦失稳因子,得出失稳条件.对滑动摩擦型偏航系统和带滚动轴承的偏航系统进行了分析,揭示了所观测到的振动现象可能为塔架扭振失稳,解释了失稳的机理,并根据实际风力机的数据进行了仿真检验.结果证明,滑动摩擦型偏航系统工作时,确有可能引起塔架扭振失稳.适当减小刹车块调节螺栓的锁紧力矩,可消除这种振动故障.