垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应，提出一种高斯形状的三维尾流模型（3DG-k）。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ，并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系，来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据，对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型（3DG）及三维椭圆高斯模型（3DEG）进行对比分析。研究结果显示，3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度，更适用于工程实际应用。     

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究北大核心CSCD

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

垂直轴风力机技术讲座（二）——阻力型垂直轴风力机

1阻力型风力机工作原理1．1升力与阻力如图1所示．在流体中的物体所受到的力F可以分解为一个垂直于来流的升力分量L和一个平行于来流的阻力分量D。不同形状,不同大小物体的升力与阻力是不同的,一般采用无量纲参数（升力系数C和阻力系数CD）来表述。     

垂直轴风力机叶尖速比分析研究

分析了垂直轴风力机叶尖速比选择的特点和影响因素;给出了垂直轴风力机叶片攻角与旋转位置的关系式;计算并分析了各种叶尖速比下的攻角分布情况;得出了垂直轴风力机最佳叶尖速比和相应的叶片设计要求。如果只考虑提高风能利用系数,垂直轴达里厄型风力机叶尖速比值应选择4。     

用CFD方法模拟计算风力机尾流的研究

根据计算流体力学的原理和数值计算的方法,将研究区域划分为非结构网格,通过设置合理的边界条件,采用湍流模型模拟了不同间距的风力机尾流流场,对不同尾流流场的压力、速度和涡量的分布进行了分析,从而确定了在风力强度及风向相同的情况下,不同风力机间距的尾流特点。     

水平轴风力机三维全尾流模型推导及验证

为进一步了解整个尾流区域的速度衰减空间分布特征，提出一种三维全尾流模型。首先，采用高阶高斯函数预测尾流剖面，其在近尾流区由顶帽形演变为远尾流区的高斯形；其次，考虑风切变效应，引入风切变入流与均匀入流的风速差；此外，考虑到尾流膨胀的各向异性，在垂直方向和水平方向采用不同的尾流膨胀系数；最后，通过风场实验验证所提三维全尾流模型的准确性，结果表明所提出的全尾流模型预测的相对误差基本在5%以内，能够较好地预测整个尾流区域的三维分布。     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

垂直轴风力机技术讲座(三) 升力型垂直轴风力机

1 升力型垂直轴风力机概述 近30年来,螺旋桨式水平轴风力机发展迅速,已成为大型商业风力发电的主流.与此同时,以达里厄风力机为代表的升力型垂直轴风力机也受到一些风电发达国家的关注.虽然垂直轴风力机没有像水平轴风力机那样快速发展,但也取得了一定的进展.     

动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型.改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析.应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算.通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义.     

基于致动线模型的风力机尾流场数值研究

针对致动盘模型存在的不足,使用非定常计算,提出了致动线方法,在致动盘模型的基础上改进了体积力的分布方式,利用体积力代替风力机叶片,结合不可压缩N-S方程,采用均匀分布和高斯分布两种不同体积分布方式,在FLUENT中对Nibe A型风机尾流进行模拟计算,研究了尾流区域的速度变化与湍流强度等,并将计算结果与试验数据进行比较。结果表明,体积力的分布方式对致动线方法的计算结果有一定影响,尤其是远尾流区域差异明显,高斯分布下的模拟结果更加接近试验数据,优于均匀分布;致动线方法用于风力机尾流场的计算基本能满足工程需要,但在远尾流场的模拟计算上精度还不够,需结合实际对模型作进一步改进。     

垂直轴风力机变径控制系统研究

针对垂直轴风力机不能通过偏航系统进行风力机转速控制,仅靠发电机转矩控制又难以从根本上保证风力机安全稳定运行的状况,从机械结构和自动控制入手,设计了一种有助于风力机转速控制的风轮半径可调节装置,基于嵌入式系统、实时操作系统和选择型复合模糊控制策略开发了相应的控制系统,实现了不同风速下的垂直轴风力机变径控制。在介绍变径机构组成的基础上,重点分析了控制系统的硬件和软件设计方法。实际运行结果表明,该控制系统能够在有效改变风力机风能利用效率的同时,保证风力机安全运转并满足转速控制要求。     

垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。     

垂直轴风力机的现在和未来

本文主要介绍小型垂直轴风力机的类型,各类小型垂直轴风力机的优缺点、小型垂直轴风力机的设计思想,以及小型垂直轴风力机主要设计参数的关联性和未来垂直轴风力机的发展方向,也简要介绍了磁悬浮在垂直轴风力机中的应用状态。     

拉索式垂直轴风力机结构分析

轻量化是垂直轴风力机设计的主要内容。垂直轴风力机叶片与叶片回转面垂直,叶片转动产生的离心力与叶片长度方向垂直,离心力对叶片受力和变形影响很大,叶片容易产生弯曲变形。要尽量减轻回转件的重量,减少离心力对叶片变形的影响。针对该情况提出了一种拉索式垂直轴风力机设计,通过外伸横梁实现在叶片内外两侧同时用拉索拉紧叶片,使叶片固定在横梁上,减少了钢制刚性横梁的使用,极大减少了垂直轴风力机回转结构的重量,达到了垂直轴风力机轻量化目的。分析了拉索式垂直轴风力机的结构特点,对拉索施加合适的预紧力的计算提出仿真要点。     

风力机垂直交错对下游风力机性能的影响研究

为降低上游风力机尾流的影响、优化风场布置,在两台串联的NERL 5 MW水平轴风力机中间安装1台小型的垂直轴风力机,形成垂直交错风场。采用FLUENT软件对串联风场和垂直交错风场进行数值模拟,对比两种风场的输出功率与流动特性。同时,改变垂直轴风力机的安装位置,分析其与下游风力机的距离对垂直交错风场的影响。结果表明：当风力机串联布置且为标准间距7D(D为风轮直径)时,下游风力机受上游风力机尾流影响仍然很大,输出功率下降57.1%;串联风场中加入垂直轴风力机加快了相应垂直交错风场尾流的恢复,提高了下游风力机的输出功率;垂直交错风场中垂直轴风力机安装距离为1D～6D时,可以在上游风力机功率变化不明显的情况下提高下游风力机的输出功率;当安装距离为6D时,下游风力机提高功率最高,比串联风场增加了40.1%。