基于动网格对风力机尾流的数值模拟

为了更真实地分析风机尾流流场,尽量减小尾流影响,提高风电场输出功率及效益,提出一种利用动网格技术进行风场优化的新方法。针对1.5 MW风力机叶片旋转区域进行动态网格化求整个流道内的尾流场,同时利用CFD方法与致动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行数值模拟。利用两种计算方法对单台风力机的尾流区域进行计算,获得单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布及风力机下游不同位置处的流场分布,并与改进Jenson模型结果进行对比分析,表明该动网格方法能较好地捕捉尾流的流场特性,由于新的尾流计算模型考虑叶片真实旋转对尾流影响,准确捕捉风机尾流中产生大小不同尾漩涡,合理捕捉尾流恢复率及尾流半径的变化规律,因此可作为工程开发有效工具,为分析风机尾流流场及风电场风机布置提供一定参考。     

基于TR-PIV风力机尾迹拟序结构特征的实验研究

在低速风洞闭口实验段,利用TR-PIV技术测量水平轴风力机有、无格栅时尾迹流场连续、瞬态信息。应用高时间分辨率(1 kHz)速度场数据获得风力机尾流的相干结构(拟序结构)及脉动速度空间相关系数分布,进一步计算提取不同工况下的湍流积分长度。分析结果揭示了风力机尾迹湍流拟序结构的演化规律,可为风力机尾迹湍流机理研究及尾迹控制奠定基础。     

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。     

考虑变桨效应大型风力机塔架-叶片体系气动性能精细化分析

以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°～90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。     

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。     

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,整机的功率及推力略有提升;横荡速度附加在旋转方向上导致功率及推力与横荡运动存在一定的相位差;叶片上切向力及法向力呈现不同的分布,频率为横荡运动的2倍,叶片变形会相应增大,叶尖与塔架碰撞风险增大。     

格构式配电装置钢构架分析与选型

格构式钢构架是变电站配电装置构架结构选型中越来越受重视的结构形式之一,其通过形成空间桁架提高了梁柱的抗侧刚度。主要论述格构式构架的分析方法,并就钢管格构式结构和角钢格构式结构进行了比较分析,得出钢管格构式的节材等优势。     

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。     

垂直轴风力机尾迹的时空特性

基于非定常流场计算结果,对三叶片垂直轴风力机尾迹流场进行数值模拟,并在叶尖速比为2.65工况下对风力机尾迹流场进行频谱分析,然后采用动力模态分解(DMD)方法对垂直轴风力机尾迹流场进行模态分析。结果表明：近尾迹、过渡区尾迹和远场尾迹区具有不同的频率特征;而DMD分解结果提取了对应上述不同特征频率的流动模态,成功捕捉到了下游尾迹流场中不同尺度的流动结构,前5阶主要模态直观显示了尾迹流场中3个不同区域的流动特征结构。     

基于SPIV的风力机叶尖涡与尾流流场相关性研究

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾流轴向速度呈先减小至最大尾流衰减率后再逐渐恢复的规律,且发生该最大衰减率的位置与叶尖涡的运动密切相关;分析叶尖涡对尾流速度恢复的阻滞作用,提出以叶尖涡"交替跳跃"现象作为风力机近、远尾流区分界点标志的依据;在此基础上推导风力机近尾流区长度的计算公式。     

湍流强度对风力机尾迹涡结构影响的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾迹涡结构的影响规律,利用TR-PIV(time resolved-particle image velocimetry)对水平轴风力机模型在有、无格栅4.5D(D为风轮直径)范围内的尾流信息进行采集。通过定性及定量分析对比有、无格栅时尾迹流场瞬时涡量、平均涡量及湍动能的变化规律,再现了不同入流条件下尾迹涡形成、发展和湮灭的过程及尾迹涡系间能量传递特性。分析发现:自由流4.5D范围内均可见明显叶尖涡拟序结构,其衰减速度较慢。格栅入流时随湍流强度增加流层间的强剪切及径向掺混作用增强,使叶尖涡拟序结构失稳,2.5D时拟序结构消失;涡量集中区域较自由流明显扩张,叶尖涡诱导效应影响范围增加;尾迹涡系的湍动能较自由流明显增加,随着尾迹向下游发展叶尖涡、中心涡湍动能很快衰减,附着涡区湍动能却明显增强;附着涡区不再是隔离带,而是叶尖涡和中心涡的能量输送带,从而促进尾迹恢复。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

大型风力机地震动力响应研究

为研究地震载荷与风载荷联合作用下的大型风力机结构动力学响应,本文研究分别以Wind PACT 1.5 MW和NREL 5 MW风力机为研究对象,采用EI Centro 6.9级地震为输入激励,通过改进版的开源软件FAST(风电载荷仿真软件)计算风力机在正常运行、紧急停机和一直停机3种运行方式下的塔顶振动和塔架结构荷载情况,结果表明:地震载荷极大加剧了塔顶振动,机舱加速度峰值增大2倍以上。紧急停机操作可减小塔尖位移,一定程度上可以保护风力机结构安全。地震载荷主要增大了塔架一阶固有频率及其二倍频的振动。6.9级地震与额定风载荷联合作用下,NREL 5MW风力机塔基弯矩设计需求为159 MN·m,略大于极限风载荷作用。说明地震常发地区,塔架结构强度设计必须考虑地震载荷作用。     

风力机远尾流速度型建模

通过研究风力机尾流速度型的分布形态,引入二项分布方程并将其转化为高斯分布方程,基于Garrad Hassan的风力机尾流实验,建立一个预测风力机远尾流速度型的工程模型。按照建模的实验条件,对引入致动盘方法的流场求解附带可实现k-ε湍流模型的轴对称不可压Navier-Stokes方程,对比分析CFD计算结果和建模结果。通过与实验结果和CFD结果的比较分析,验证本风力机尾流模型的有效性。     

大型风力机塔架-叶片体系风振与地震作用对比研究

为研究风荷载和地震作用对大型风力机不同部件的影响程度,建立某3 MW水平轴风力机塔架-叶片一体化有限元模型,通过CFD数值模拟获得风力机表面风压系数并作为风荷载输入参数,同时进行7度地震烈度作用下的反应谱分析。对比研究表明:叶片受风荷载控制,其在风荷载作用下的叶尖位移和叶根弯矩均明显大于地震作用下的数值;塔架由风荷载和地震作用共同控制,风荷载作用下弯矩值均沿高度方向逐渐增加,地震作用下径向与环向弯矩最大值出现在接近塔顶高度处;风荷载作用下塔底环向弯矩及径向与环向轴力均明显大于地震作用,但地震作用下塔底径向和竖向弯矩及剪力稍大于风荷载作用下的数值。     

来流剪切对风力机尾迹影响的数值研究

为研究剪切指数对风力机尾迹流动特性的影响,以NREL Phase Ⅵ型风力机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型,在不同剪切指数下对风力机尾迹流场进行定常数值模拟.考察了不同来流剪切工况下,风力机尾迹流场中漩涡结构变化对速度和湍动能等流动参数的影响.结果 表明:在剪切来流工况下尾迹流场呈现非对称性,尾迹流场向远离壁面的方向偏斜;随着剪切指数的增大,轮毂上方的中心涡强度增大,下方中心涡强度减弱;下方流体被大量卷吸进上方剪切层,形成高速条带;中心涡的不对称性造成尾迹流场湍动能增强,尾迹流场恢复减慢.     

大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析

风力机尾迹区域的流场特征对风电场的优化布置具有重要意义。文章基于流固耦合理论,采用ANSYS+FLUENT方法和滑移网格技术对NREL 5 MW风力机的尾迹特性进行了系统分析。结果表明:在风力机近尾迹区流固耦合情况下风力机的输出功率和轴向推力更接近NREL设计值;在远尾迹区、双向流固耦合情况下,轴向速度更早地在风力机下游6倍风轮直径X=6D处达到来流速度,而湍流强度也提前在X=2D处出现拐点开始下降,在X=6D处达到9.8%,流场进入低湍流度区,从而得到了风力机合理布置方面的重要结论,这将对风力机合理布置和风电场经济性的提高提供一定的参考。