水平轴风力机气动性能的大涡模拟研究

水平轴风力机风轮气动性能计算能准确描述风力机的运行状况,为风力机风轮气动设计结果提供评价和反馈.为探索风轮气动性能高精度的计算方法,在南航利用CFD软件Fluent中使用大涡模拟,对SVIAB WG500风力机的气动特性进行数值研究,并对洞壁干扰因素进行修正.结果证明,由于能够对大尺度涡流精确计算,大涡模拟比S-A模型在风力机气动性能计算上具有更高的精度.在大涡模拟计算结果的基础上,对三维风轮气动性能做进一步地分析,得到SVIAB WG500风力机的最佳运行尖速比以及沿叶高方向翼型气动变化规律.     

风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究

运用叶素理论和气动理论,基于设定的风力机性能参数对风轮叶片进行三维设计。利用Gambit建模软件对风力机单叶片进行三维建模,再用Fluent软件进行风力机叶片气动性能的数值模拟,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的升力、阻力和扭转力矩;验证风力机气动性能数值模拟的可行性和可靠性;计算发电机组功率和风能利用效率等性能参数。对风力发电机叶片的设计和气动数值模拟计算分析的工作可深化对风力发电机组三维叶片的气动性能的了解,仿真风力发电机组气动流场,能为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供技术参数和指导意见。     

风力机叶片旋转对测风仪的影响

采用CFD方法对1.5 MW风力机叶片DF77A和DF77D进行三维定常数值模拟。分别与风力机设计功率数据进行对比,在确认数值计算结果可信的基础上,对比了两种叶片三维粘性流场的流动细节,分析了两种叶片在不同来流风速条件下气动性能,同时详细分析了两种叶片对1.5MW机组机舱尾部测风仪的影响,为大型兆瓦级风力机优化设计提供参考。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

偏航和风切变下风力机气动特性的研究

采用基于滑移网格技术的三维非定常CFD方法,以TJ?REBORG和NREL Phase VI风力机为例,数值模拟轴向均匀来流条件下风力机气动性能的变化规律并与实验值进行比较,确定该方法的可靠性。在此基础上探讨风切变以及偏航条件下水平轴风力机风轮的气动特性,分析其影响规律、叶片旋转平面附近流场中的流动细节及尾迹的变化。     

施加一阶挥舞振型后的风轮气动特性研究

文章采用Fluent软件,对半径为0.7 m的水平轴风力机进行了三维非定常气动特性数值模拟,应用动网格技术,为风轮模型施加了一阶挥舞振动。对比分析有无振动情况下的计算结果,得到了振动叶片表面动压、转矩及轴向推力的周期变化规律,并发现:当叶片振动后,动压变化频率约为振动频率的2倍;转矩和推力较振动出现相位差,且推力与振动相位差0.3π。通过为风轮叶片施加一阶振动,实现了对振动状态下风力机气动特性的初步探索,为更加准确地模拟风力机气动特性提供了方法参考。     

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。     

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。     

1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

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。     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

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MATLAB的小型风力机叶片设计

结合Wilson设计方法流程,采用MATLAB语言编程,开发了小型风力机叶片气动设计的应用程序。利用该程序设计了一台10 kW小型水平轴风力机,采用CFD方法对所设计的的模型用FLUENT软件进行单流道分析计算。流场分析结果表明,编制的软件提高了初期设计效率,具有直接形成结构实体的特点,缩短了小型风力机叶片CFD分析前处理时间。     

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。     

Investigating the influence of dimensional scaling on aerodynamic characteristics of wind turbine using CFD simulation

Wind turbines are used in a variety of applications with different performance requirements. Investigating the influence of scaling on wind turbine characteristics can pave the way to utilize the experience gained from a smaller turbine for a larger one. In this paper, the effects of wind turbine size on aerodynamic characteristics of a rotor blade are examined using CFD simulation. NREL phase VI wind turbine rotor was simulated in order to validate the results and ensure the accuracy of the CFD model. A 2 MW wind turbine was then chosen as a large turbine and a scaled down model of its rotor was simulated numerically. The results of the simulation were introduced to Similarity Theory relations in order to predict the aerodynamic characteristics of the 2 MW wind turbine. The 2 MW turbine was also simulated and the results of the simulation were compared to predictions of Similarity Theory. It was observed that the results of the simulation completely follow the values predicted by Similarity Theory. Both Similarity Theory predictions and simulation results demonstrated that the torque increases with the cube of change in rotor diameter whereas the thrust value and aerodynamic forces grow with the square of change in diameter.     

风剪切下塔影效应对水平轴风力机叶片及风轮气动载荷的影响

采用CFD方法,以NH1500三叶片大型水平轴风力机为研究对象,研究额定风速剪切来流下的塔影效应对水平轴风力机叶片和风轮非定常气动载荷的影响。结果表明：剪切来流下,叶片和风轮的气动载荷均呈余弦变化规律,塔影效应的主要影响叶片方位角范围为160°~210°,且该范围不随风剪切指数的变化而变化。相同风剪切指数下,塔影效应对叶片和风轮气动载荷的均方根影响较小,对其波动影响较大。当风剪切指数从0.12增至0.30时,塔影效应下,叶片气动载荷的均方根减小,推力和转矩的波动幅度增大,偏航力矩和倾覆力矩的波动幅度减小;风轮推力和转矩的均方根减小,波动幅度变化较小,而倾覆力矩和偏航力矩的均方根增大,且波动幅度也增大。     

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.     

海上风电结构横风向气动力阻尼特性研究

基于横风向气动力阻尼理论计算模型,以NREL-5 MW海上风电机组为例,对其运行过程中横风向气动力阻尼进行计算,并采用FAST软件对计算结果进行验证。之后,研究转速、叶片桨距角和运行方式对横风向气动力阻尼的影响。研究结果表明：NREL-5 MW海上风电机组结构运行状态下的横风向气动力阻尼在0%~0.8%范围内变化,其随风电机组运行转速及叶片桨距角的增大而增大;此外,海上风电机组不同运行方式对其横风向气动力阻尼也会产生较大影响。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

水平轴风力机气动性能计算模型

基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型,考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正,并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响,使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对一台1．3MW的失速调节风力机进行了气动性能计算,与国外大型商业软件的计算结果取得了良好的一致性,从而验证了模型的正确性和实用性。