基于致动线方法的风力机组尾迹控制策略研究

为提高风场总功率,减小上游风力机尾迹的影响,以实现风场全局优化的思想,利用致动线(ALM)方法,基于开源软件OpenFOAM对9种偏航工况、15种风轮俯仰工况及9种风场错列布置进行数值模拟。对比不同尾迹控制策略下的风场总功率输出,并结合流场云图分析尾迹对风力机性能影响的流动机理。结果表明:3种尾迹控制方法均可减弱上游风力机尾迹对下游风力机气动性能的影响,且偏航尾迹控制方法略优于风轮俯仰,风场错列显著优于偏航,其中偏航、风轮俯仰及风场错列分别可提高无尾迹控制策略时风场总功率的35.3%、34.5%和68.5%。     

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。     

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%。     

基于致动线方法的风力机组风场布置优化

基于致动线方法,利用OpenFOAM对5种不同间距串列布置的具有3台5 MW风力机的风场进行了模拟.通过调整风力机组间的位置,对比不同风场布置时的总输出功率,并结合轮毂高度处流场分布及尾迹速度轮廓线,分析尾迹对风场下游风力机的影响.结果表明:串列布置时,处于尾迹中的风力机功率下降可达82.72%;改变风场中风力机组相对位置可使风场布置得到优化,虽个别风力机性能有所下降,但风场总输出功率最大可提高11.8%.     

水平轴风力机组风场全局优化策略研究

为优化风场布置,减小上游风力机尾迹影响,以实现风场全局优化,基于致动线方法,利用OpenFOAM(多物理场运行与操作开源软件)对风力机组风场进行了15种风轮俯仰工况及9种错排布置的数值模拟,比较各优化策略下的风场总输出功率,并结合流场细微结构参数分布,分析不同优化方法对风场全局影响的流动机理。结果表明:尾迹对风场下游风力机影响严重。两种数值模拟优化方法均可实现风场全局优化,其中风轮俯仰优化策略可使风场总输出功率最大提高34.5%;风力机组错排布置可提高68.5%。此外,风场上游风力机功率在风轮俯仰时下降明显,风力机组错排时几乎无变化。     

基于偏航的风力机尾迹偏移控制流动机理研究

通过非定常CFD方法模拟在大气边界层环境下2台串列布置的全尺寸5MW风力机组,研究在风场多尺度流动特性下基于偏航的尾迹控制方法导致尾迹偏移的流动机理.结果表明:上游风力机偏航可有效提高风场总功率;速度场分析显示偏航时尾迹发生形变,而涡量场分析表明偏航的尾迹在传播过程中将产生一对逆时针旋转的涡,从而导致尾迹在宏观上表现为偏移;尾迹偏移效果仅在轮毂高度处较为显著,发生形变的尾迹低速区仍会向其余区域扩散.     

水平轴风力机多机组阵列的数值模拟

利用FLUENT软件对4台额定功率为1.2 MW的水平轴风力机分别在顺列和错列布置方式下及不同入流角情况下进行数值模拟,结合叶轮尾流理论分析转动叶片与塔架之间以及上游两机组间的尾流相互干扰对下游风力机输出功率的影响。结果表明:多机组风力机错列布置时上游风力机尾流对下游风力机功率的输出影响更小。在错列布置中,入流角为15°时上游风力机尾流对下游风力机的影响最小,同时下游风力机的输出功率较大,与其额定功率相比相对误差较小。合理的偏航角有利于下游风力机输出功率的提高,即提高整个风场效率。     

风力机组尾迹控制策略研究

为减小风力机尾迹的影响,以实现风场总功率最大化及风力机组气动性能全局协调控制的目标,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,基于致动线模型,利用开源CFD软件OpenFOAM对9种风力机组偏航控制及9种风场错列布置进行数值模拟,比较这18种方案的风场总功率,并结合流场参数分析不同尾迹控制策略影响风场下游风力机的流动机理.结果表明:尾迹对下游风力机气动性能影响严重;2种尾迹控制方法均可实现全风场优化,其中各偏航控制下,风场总功率最大可提高35.3%,风场错列布置时最大可提高68.5%.     

俯仰策略对两台串列风力机功率输出影响研究

为增加风电场总输出功率,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,采用致动线(Actuator Line,AL)技术,通过swak4Foam产生指数率风剪切,利用OpenFOAM对两台串列布置的5 MW风力机风电场进行不同叶轮俯仰数值模拟,对比各工况下风电场总输出功率,并结合流场分布云图分析总输出功率存在差别的内在原因。结果表明：风电场上游风力机尾迹会严重减弱下游风力机性能;俯仰策略可有效提升风电场总输出功率;俯仰角从0°增大/减小到±35°过程中,呈现出上游风力机功率先增后减、下游风力机功率持续增加的规律,风电场总输出功率升至极大值后开始下降;正俯仰角时风电场总输出功率较负俯仰角时的总输出功率更高。     

风剪切下风力机组俯仰控制策略研究

为增加风电场总输出功率,采用大涡模拟(LES)方法,利用致动线法(ALM),基于开源CFD软件OpenFOAM对风剪切下的风力机组4种风轮俯仰工况进行数值模拟,对比每种工况下的风电场总输出功率,并结合流场参数分析输出功率存在差别的内在原因。结果表明:风电场上游风力机尾迹可对下游风力机性能产生严重影响;风轮俯仰角增加时,风电场上游风力机输出功率先增后减,下游风力机输出功率持续增加;仰角为9°时风电场总输出功率比无俯仰控制策略时提升393982.25 W。     

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。     

风向变化对风力机尾流影响的数值分析

为了探究风向变化对风力机尾流的影响,选取NREL 5MW风力机建立模型,采用Fluent软件在额定工况下对单台风力机及风向变化时的2台风力机进行数值模拟,并对比其输出功率及尾流的流动情况.结果表明:当风向变化角为0°,即串列排布时,上游风力机对下游风力机的影响很大;随着风向变化角由5°增大到10°,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减小,下游风力机的功率减小率由7.53%减小到4.24%,输出功率明显增加,可见风向变化对风力机尾流有影响.     

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速（PIV）系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示：虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。     

串列不等直径水平轴风力机气动性能研究

为研究上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响,采用计算流体力学方法对串列水平轴风力机三维流场进行模拟,以揭示上游风力机叶轮尺寸增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响规律。研究结果表明：增大上游风力机叶轮直径,会削减下游临近机组输出功率,增加机组在低频,1倍、2倍、3倍轴频推力脉动,增大机组疲劳载荷;随着风力机间距的增加,增大叶轮直径对12D范围外机组输出功率影响可忽略不计,但机组疲劳载荷在低频和1倍轴频仍有明显的增大。抬高上游机组轮毂高度,机组较近时,可使下游风力机避开一部分尾流,显著提高下游风力机的输出功率,但也会使风力机叶轮在旋转一周过程中产生较大的叶片推力脉动;当风力机间距较远时,抬高塔架高度有利于尾流恢复,进而提高下游机组输出功率,降低机组疲劳载荷。     

考虑风剪切的1.3MW风力机整机三维定常流动数值研究

分别采用均匀风和剪切风对1.3 MW失速调节风力机整机在8 m/s和13 m/s来流风速下的绕流流场进行全三维定常数值模拟。根据模拟结果分析叶片不同截面的压力系数分布、沿叶展方向的功率分布、风轮三维流场细节、风轮下游不同距离处的静压分布和二维相对速度矢量分布情况。结果表明：剪切风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;在靠近叶根处,适当地减小有效攻角可提高翼型气动性能,选择适应较大攻角的翼型,可以提高叶根处的输出功率;在靠近叶尖的部位,适当增加有效攻角,同时选择适应小攻角的翼型可以提高叶尖处的输出功率;在叶根部位,发生了明显的流动分离;塔架与轮毂所在位置的下游尾迹处产生的漩涡和干扰要远远大于叶轮面其他部位。     

偏航偏差角对风力机轮毂载荷的影响

偏航工况是风力机正常运行中的典型工况,为研究偏航工况下风力机轮毂载荷的特性,文章以某实验型3.0 MW机组为研究对象,通过叶片气动分析和Bladed软件仿真的方法,对不同偏航偏差角下的风力机载荷进行仿真分析,得到了风力机的输出功率及轮毂My和Mz的载荷。研究结果表明：当风力机运行在额定风速以下时,偏航偏差角的存在会降低风力机输出功率;当风力机运行在额定风速以上时,一定范围内的偏航偏差角能维持风力机满功率稳定运行。风力机在不同偏航方向下有不同的载荷表现,相比于负向的偏航偏差角,正向的偏航偏差角会导致更大的风力机轮毂载荷。该研究为大型风力机优化偏航控制及保护提供了参考。     

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。     

挡流板对垂直轴风力机性能影响的试验研究与分析

在风力机前方安装挡流板可提高H型垂直轴风力机的发电功率,但目前缺少对该结构装置的全面系统研究,且评估安装挡流板时所使用的风能利用系数C_P的计算方法并不恰当,以至于某些计算结果突破贝兹极限,导致概念混淆。文章通过对挡流板安装位置及安装角度进行测试,获取了不同位置的风力发电功率随风轮转速的变化关系。结果表明:在一定距离范围内,挡流板与风轮有一最佳距离,挡流板远离风轮时,提高风速的效果差,挡流板距离风轮越近对来流风干扰变大,输出功率反而降低;挡流板的最佳安装角度为90°,安装角小于或者大于90°时,风速变化平缓,输出功率增长减弱,失去聚风作用。考虑到挡流板聚风后叶轮前的风场不均匀,在计算C_P时不能取某一个风速值或用平均值代入其定义式,文章提出了采用平均风动能的统计方法计算C_P,计算结果表明,增加挡流板可以提高输出功率,但不一定能增加C_P值。     

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。     

水平轴风力机风轮尾迹与圆柱型塔架的相互干涉

建立了一个考虑上游风轮尾迹与下游塔架相互干涉的物理模型,并进行了详细的数值模拟。基于Navier-Stokes方程,重点研究了上游尾迹与下游圆柱型塔架相互干涉的二维物理特征、旋涡脱落频率、力的脉动与频谱以及纵向位置的影响;计算的流场与水洞进行的激光诱导荧光显示技术的流场显示结果进行了对比;在相同的横向位置和来流条件下,获得了处于不同纵向位置的干涉结果。研究结果对于揭示风力机风轮尾迹与下游塔架相互干涉的物理机理,减少由于位势干涉和尾迹粘性所诱导的非定常气动力,以及对于风力机的气动弹性稳定性和噪声辐射的研究等都有着重要的理论价值。