周期艏摇运动对浮式风力机的气动影响

相比于偏航工况,浮式风力机在风波联合作用下的艏摇运动不仅改变了来流的入射角度,又给叶片附加了牵连角速度,对其气动特性及稳定性带来巨大的影响。基于升力面自由尾迹方法研究周期艏摇运动对NERL 5 MW浮式风力机的气动影响,从入流速度的角度分析艏摇运动的作用机制,捕捉到了艏摇运动下的畸变尾迹,评估了风轮-尾迹效应。结果表明:幅值为3°的周期艏摇运动下,风力机平均功率上升了1.49%,波动幅值接近100 kW,最低功率值等于3°偏航工况;充分发展的尾迹对风轮的诱导作用略有减小,但对特定叶片的诱导作用反而加强:初始时刻位于特定方位角的某叶片会持续过载,且整机的艏摇及横摇力矩波动剧烈,不利于风力机长时平稳运行。     

海上浮式水平轴风力机气动特性研究

以NREL-5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论,考虑动态失速、风剪切及塔影效应等气动修正模型,开发Matlab非定常气动载荷计算程序,研究浮式水平轴风力机气动特性。结果表明:为保证风力机气动载荷模拟的正确性,气动修正模型必不可少;基础运动对风力机气动性能有显著影响,基础运动使风力机输出功率增大,但同时存在较大的振荡幅度,导致功率输出不稳定;叶片变桨失效导致功率输出更加不稳定。     

基于预定涡尾迹法的风力机性能研究

以三叶片水平轴风力机为研究对象,建立了尾迹扩张模型,研究了叶片尾迹流动结构。涡面模型叶片无量纲环量的计算结果与经典环量数据对比,结果吻合较好。计算了根尖涡模型风轮面诱导速度随尾迹扩张系数的变化关系,得出了尖速比对气动性能的影响:推力系数与环量及尖速比成正比;对于不同环量,功率系数存在最佳尖速比。分析了尾迹扩张模型对气动性能的影响:推力系数和功率系数与尾迹扩张系数成正比,尾迹收敛参数对其影响甚微。     

基于面元法和FEM的海上浮式风力机叶片动力响应研究

考虑水动-气动耦合模型，研究海上浮式风力机在风浪作用下动力响应的数值模拟方法。采用速度势面元法求解浮式风力机叶片压力分布以及时变气动载荷；建立NREL 5 MW风力机的有限元模型，通过瞬态分析得到叶片的变形和应力分布。计算表明，在展长方向，越靠近叶根处，应力值越大；在弦长方向上，越靠近前缘点应力值越大。和风载荷单独作用相比，波浪载荷导致浮式平台产生较大幅度的纵荡和纵摇运动，能量传递到上部风力机后导致叶片的变形和应力更大。     

基于气动相似的浮式风力机模型叶片快速设计方法

在浮式风力机模型试验中,由于尺度效应的影响,浮式风力机模型叶片的推力不能达到弗汝德相似条件下的目标推力值,采用重新设计叶片的方式可以较好地满足模型试验的要求。文章以某6 MW海上浮式风力机模型试验为例,提出基于气动相似的模型叶片快速优化设计方法,并与前人提出的方法对比。计算结果表明:在额定工况下,文章提出的方法可有效降低78.18%的风力机推力计算次数,从而提高计算速度;在试验工况下,该方法设计的叶片与目标值的匹配情况优于模矢搜索法。研究结果可以为风力机模型叶片优化设计提供参考。     

基于自由涡尾迹模型的漂浮式风力机气动计算

采用线性多步法和待定系数法建立一个新的三步三阶预估-校正时间步进法,用于自由涡尾迹方法离散涡线对流控制方程,该方法比现有差分格式更稳定,收敛更快。计算修正浮式平台运动对叶片入流和风轮尾迹形状的影响,建立了漂浮式风力机自由涡尾迹模型。采用该模型计算漂浮式风力机的气动性能,并与实验结果进行对比分析。研究结果表明,该模型能够准确地预估风力机稳态气动性能,并能准确地反映漂浮式平台运动对尾迹形状和气动性能的影响。     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50~200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

风浪联合作用下浮式风力机叶片结构强度分析

海上浮式风力机在风浪作用下,支撑平台产生六自由度运动,诱导风力机叶片结构受力复杂。以DTU10 MW单柱式浮式风力机为研究对象,根据IEC标准,联合使用FAST软件和ABAQUS软件计算不同载况下叶片在气动载荷、惯性载荷和重力载荷联合作用下的力学特性。研究发现:叶片的主要承载部分是叶肩附近的主梁区域以及叶片根部;风力机正常工作时,叶片极限载荷出现在额定风速的载况下;叶尖变形主要发生在与风轮平面垂直的法向方向上。     

基于CFD技术的垂直轴风力机关键气动问题研究

采用CFD软件对麦克马斯特大学垂直轴风力机进行数值模拟,结果表明:在不同叶尖速比下,风力机计算功率与风洞试验数据吻合良好;风轮中上行叶片尾流影响下行叶片气动特性,与单根叶片风力机模型相比,叶片扭矩峰值降低,峰值发生时间延迟;旋转叶片与平流流场中叶片相比,扭矩峰值有显著提升;叶片的附加质量效应有助于风力机降低支撑杆的设计强度,但增大了叶片与支撑杆的作用力;具有弯度翼型的风力机功率输出峰值相对于原始风力机功率输出高3.7%,且顺风向推力也低于原始风力机。     

动态来流对风力机性能的影响

应用ICEM-CFD建立结构化网格,采用滑移网格的方法对NREL 5MW风力机的气动性能进行了数值模拟。计算了不同风况下风力机3个叶片表面的气动载荷分布,得到不同风况下风力机的气动性能。模拟结果表明,垂直风切变风况、阵风风况对叶片表面载荷分布影响较小,风向变化风况对叶片表面载荷分布影响较大;动态来流会使风力机近尾迹涡的位置及结构发生改变;垂直风切变风况下,风机尾迹速度在4D处几乎恢复到主流速度,阵风风况下,尾迹速度在6D处几乎恢复到主流速度,风向变化风况下,尾迹速度在10D处才接近主流速度。     

风剪切来流下风力机流场特性与风轮气动载荷研究

以某33 kW两叶片水平轴风力机的风轮为研究对象,采用CFD方法,研究风剪切来流下水平轴风力机流场特性与风轮气动载荷的分布规律。结果表明:在剪切来流下,风轮上游来流风速随方位角的波动曲线偏离由理论计算得到的风速波动曲线;尾流区轴向速度呈现非对称性分布,轮毂上方叶尖涡和叶根涡的移动速度大于轮毂下方叶尖涡和叶根涡的移动速度;同时,风力机叶片和风轮的气动载荷随方位角呈现正余弦的变化趋势,风轮气动载荷功率谱曲线的峰值对应的频率与叶片通过频率的整数倍相关。当风剪切指数由0.1增大到0.5时,风轮转矩和推力的均方根分别减小2.28%和1.43%,但其波动幅值随风剪切指数的增大而增大,并且风轮转矩和推力随方位角的波动曲线存在相位偏移现象,风剪切指数越大,相位偏移现象越明显;风轮偏航力矩和倾覆力矩的均方根分别增大4.07倍和4.04倍,且其波动幅值随风剪切指数的增大而增大。     

不同小翼对风力机气动性能影响的数值分析

对安装平板小翼和融合小翼后的风力机气动特性和流场分布进行了研究,探究不同小翼对额定工况下风力机总功率、叶片表面压力和叶尖流场分布的影响。结果表明:在叶尖增加小翼可提高风力机总功率,融合小翼具有较好的气动特性,其总功率比无小翼时提高了10.61%;小翼的存在使叶尖吸力面压力降低,叶片表面压差增大,与平板小翼相比,融合小翼叶片表面压差更大;小翼削弱了叶尖绕流强度,使局部诱导速度减小,气动攻角增大,并使叶尖涡的涡核位置远离叶片主体,有效减小了叶尖涡产生的不利影响。     

基于升力面自由尾迹的深海浮式风力机全耦合模型仿真研究

采用基于升力面自由尾迹的气动预测方法构建浮式风力机全耦合模型,采用多体系统动力学模型描述浮式风力机系统的运动响应,基于准静态假设计算系泊系统的系泊力,基于改进Morison公式计算水动力.结果 表明:采用全耦合模型计算得到的叶尖涡轨迹预测值与实验值吻合良好;基于全耦合模型预测得到的浮式风力机运动轨迹与FAST计算结果吻合良好;在风波联合作用下可观察到较为明显的气动-水动耦合现象.     

风力机气动-结构仿真平台构建与计算

为在研究大型风力机气动性能的同时考虑其结构动力学特性,基于开源计算流体力学软件OpenFOAM及气动-水动-伺服-控制软件FAST,并结合致动线方法（Actuator Line Method,ALM）实现风力机叶轮周围流场信息与结构响应间的数据交换,最终完成风力机气动-结构仿真平台FASTFOAM构建。通过该平台计算了风场中两台串列布置5 MW风力机的气动性能及结构动力学特性。结果表明：FASTFOAM平台能够快速计算出风力机的功率输出、结构响应及流场信息;风力机尾迹在发展过程中可持续与周围流场进行能量交换而使其速度亏损得以弥补;下游风力机受上游风力机尾迹影响严重,输出功率只有上游风力机的21.05%,且结构动力学响应与上游风力机不同;上游风力机和下游风力机叶轮的主要刺激频率分别为0.16和0.15 Hz。     

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。     

基于流固耦合的风力机叶片变形研究

文章利用ANSYS Workbench中的Fluid Flow(CFX)与Transient Structural平台对实木和环氧树脂材料叶片进行双向流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用下风力机叶片的变形情况和叶片变形对风力机尾迹流场和输出功率的影响。分析结果表明:在额定风速下,叶尖位置变形最大,实木材料叶片的最大变形量为18.72mm,远大于环氧树脂材料叶片的最大变形量(4.88 mm),随着风速的增大实木材料叶片变形更明显;实木材料叶片风力机的尾迹叶尖涡涡量较大,尾迹速度扰动更加强烈,速度亏损也较多,风轮输出功率较大。     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

融合小翼对风力机气动性能的影响

文章利用CFD方法对不同参数叶尖融合小翼风力机额定工况下的气动性能进行了数值模拟。研究结果表明,风力机叶尖融合小翼能够使叶片输出功率和风力机总功率得到提升,但同时使叶片轴向推力、挥舞力矩增大。吸力面小翼比压力面小翼风力机功率高1.26%～1.37%,体现在叶片相对高度0.88以上区域叶片输出功率不同。小翼高度和等效长度的增加使叶尖损失减小,叶片输出功率增大。不同倾斜角度的小翼会改变叶尖流场分布,从而改变叶尖部分和小翼的功率输出。在风轮扫风面积相同的情况下,小翼倾斜角度为55°左右时风力机气动性能最优。     

浮式风机水池模型试验与仿真对比分析

为研究浮式风机动力特性以及验证数值仿真的准确性,以中国海装半潜型浮式风机参数为基础,阐述水池模型试验过程和环境工况,重点对试验与数值仿真结果进行对比分析。结果表明,采用推力相似和弗劳德数相似的水池试验方法可以满足验证浮式风机仿真模型的准确性。半潜型浮式风机低频运动响应明显,气动阻尼对共振响应可以起到抑制作用,横荡运动与横摇运动方向上具有较强的耦合现象。塔筒载荷能量主要位于低频段、波频段和风轮1P频率处,其中低频区主要受风载荷控制,波频区主要受波浪控制。