湍流强度对水平轴风力机尾迹速度恢复影响机理的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾流速度恢复的影响,采用高频PIV对均匀来流和格栅入流时风力机下游尾流数据进行采集。通过对比轴向速度、径向速度及雷诺剪切应力发现:均匀来流时轴向速度分层现象明显;叶尖涡将主流卷吸进入尾流区,但无法穿透附着涡区,附着涡相当于一个隔离带;雷诺剪切应力集中在叶尖涡和中心涡区,附着涡区基本为零。格栅入流时下游2.5倍风轮直径处尾流与主流基本融合,主流径向掺混从叶尖涡穿过附着涡渗透到中心涡区;剪切应力在中心涡和叶尖涡区明显增大,附着涡区存在正的峰值,且附着涡区成为叶尖涡和中心涡区的一个动量输送带。相关结论可为风电场优化布局提供指导,有助于揭示湍流强度影响风力机出力和速度亏损的原因。     

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.     

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。     

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。     

基于大涡模拟的发动机缸内湍流流动及拟序结构

应用大涡模拟方法对发动机缸内湍流流场进行了三维瞬态数值分析.主要从湍流脉动、湍动能和缸内拟序结构演变等方面考察了发动机缸内流场特性.计算结果表明:相比雷诺平均模型,大涡模拟方法可以更真实地反映发动机循环过程中缸内气体流动的细节和规律.利用大涡模拟结合Q准则判别法可以较好地识别缸内大尺度湍流拟序结构;拟序结构对于缸内大尺度动能的产生及湍流的维持具有关键的作用.RANS类模型则不具备充分捕获大尺度拟序结构的能力.湍流脉动与活塞平均运行速度接近于成正比.     

水平轴风力机近尾迹流场结构的实验研究

在风洞开口实验段,应用PIV锁相周期采样技术测试风力机近尾迹速度场,通过分析速度场和涡量场,得到近尾迹流场结构特征。近尾迹中存在具有形态特征强烈的叶尖涡结构向下游不断传播。由风轮旋转轴向外,近尾迹的结构组成依次为中央尾迹区、叶尖涡诱导效应区和外部主流区。在叶尖涡诱导效应区内,涡流诱导效应使流场中存在明显的速度增益区和速度亏损区,且增益区和亏损区关于叶尖涡核中心对称。在研究区域内,叶尖涡向下游运动的轴向位移与尖速比成反比,径向位移与尖速比成正比,使叶尖涡诱导效应区影响范围随尖速比的增加径向扩展、轴向缩小。     

垂直浓淡煤粉燃烧方式下炉内拟序结构研究

采用ＰＤＡ测量系统,对四角切圆锅炉中垂直浓淡煤粉燃烧方式下影响一次风与主流场混合和扩散的炉内拟序结构进行了实验研究和湍流特性分析。结果表明,一次风射流由于与上游横向射流的相互作用,在背火侧形成尾迹涡,在向火侧形成剪切涡,其中尾迹涡和剪切涡中有较高的湍动能和剪切应力,对颗粒的扩散起着主控作用。并从理论上分析了垂直浓淡煤粉燃烧技术可能不利于煤粉颗粒的燃尽,而且是容易导致水冷壁结渣的原因。     

V型叶尖结构对风力机叶尖区域气动噪声影响的实验研究

针对叶尖部位是影响近尾迹流动和声辐射的主要区域,提出V型叶尖结构,对其气动特性和叶尖区域声辐射的特征进行测试。结果发现:V型叶尖结构风力机在输出功率减小0.95%~3.50%的范围内,使得改型后风轮旋转基频及其谐波关系的频率所对应的旋转噪声减小2.7%~4.5%。同时对叶尖涡的脱落频率所对应的叶尖涡噪声产生影响,使之降低了2.8~9.0 d B,找到V型叶尖的高度是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低的主要因素。     

水平轴风力机叶尖翼型截面流场的试验研究

利用线式互相关粒子图像测速(PIV)系统和轴编码器锁相技术,测量了不同尖速比下旋转水平轴风力机叶尖处的流场,获得了风轮叶尖处的瞬时速度场,并通过Tecplot软件处理得到了相应的时均速度场、速度云图及流线图.对瞬时图分析可知:在同一尖速比下,叶尖涡的出现使速度亏损值增加,风轮功率下降;在高尖速比下,流场中叶尖涡出现频率较高,有明显的旋涡结构出现,但随着尖速比的减小,叶尖涡出现的频率降低,只有形成的趋势,在尖速比λ-4的工况下,没有完整的涡出现.通过分析时均图表明:随着尖速比的增加,上游空气通过叶尖后的动能损失增大,叶尖尾迹区内的速度亏损范围增大.     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究

以张家口市某风电场作为实验场地,利用激光多普勒雷达(WindMast WP350和Wind 3D6000分别扫描风力机的来流和尾流)对风力机的尾流以及风场风况进行测量,并分析湍流强度变化以及探究湍流强度对风力机尾流特性的影响。研究发现,随时间改变的大气环境对湍流强度的影响较为明显,而高度对湍流强度的影响较小;湍流强度对风力机尾流有较大影响,湍流强度越大,则尾流恢复越快且尾流宽度和深度越小;随着沿轮毂中心轴向距离的增加,尾流速度衰减在尾流发展4D～6D(D表示风力机直径长度)后加速下降。     

基于CFD的篱笆下游风力机安装位置及高度的研究

利用CFD方法,考虑不同入流角、风剖面和地表粗糙度的影响,对篱笆下游的流场特征进行模拟计算。分析:3种入流角时,篱笆下游湍动能分布情况;2种入流角时,42个参考位置处的风加速因子和湍流强度随高度的变化规律,得到风力机安装的合适位置和高度,最后通过实验验证了模拟结果的正确性。结果表明:避开湍流区,篱笆下游风力机的安装高度至少要高于篱笆0.5 H(H为篱笆高度);篱笆下游水平方向上(1~2.6)H的区间内和垂直方向上高于篱笆(0.5~2)H区间内均可安装风力机且输出功率会增加。     

可变滚流GDI发动机缸内气体流动特性模拟研究

在一台可变滚流比直喷汽油机(GDI)上对不同滚流强度下缸内冷态湍流流场进行了数值模拟研究,并通过PIV结果进行了实验验证。研究结果表明:进气翻板关闭将显著提高缸内滚流强度并产生较强的湍流,尤其在气门升程最大时刻,其滚流比约为翻板开启时的5倍,湍动能为后者的4倍左右;缸内流场在高滚流比工况时较早地形成单一大尺度涡,同时涡心更明显,流场更加规则,流速相对较高,在进气下止点时平均流速为20m/s;在压缩过程中,高滚流比工况湍流的黏性耗散较大,湍动能衰减较快;但在压缩末期缸内湍动能较低滚流比工况高,同时分布更加均匀。     

1.2MW风力机整机流场的数值模拟

建立1.2 MW风力机三维模型并进行了数值模拟,基于Simple算法,采用SSTk-ε湍流模型,结合有限体积法对控制方程进行离散,并分析了其不同截面上的压力、速度及湍动能对风力机输出功率的影响.结果表明：叶片旋转与塔架的相互干扰引起风力机气动参数的变化,减小了风力机获得的转矩,导致风力机输出功率减小;塔架对风力机风场产生重要影响,导致塔架后方的湍动能变大,叶片中心涡、附着涡对风力机流场区域的影响较小;风轮和整机对风力机后方几百米区域的速度场产生影响,但速度场受整机影响的区域小于风轮的影响.     

方形旋风分离器内气固两相流湍流特性的研究

应用三维颗粒动态分析仪（3D－PDA）对方形下排气旋风分离器内气固两相流场进行了实验研究，并对流场、脉动速度、颗粒浓度、湍动能、湍流强度等的分布做了讨论。方形旋风分离器的流动具有Rankine涡 的特点，即中心部分为强制涡区，边壁附近是准自由涡区。边角处因颗粒与壁面间的相互碰撞引起的准层流运动，并使得颗粒湍流脉动强烈，湍流动能和局部湍流强度在边角附近取得较大值，表明此时两相流耗了气流的能量较多，是造成分离器压力损失的主要区域之一。边角有利于颗粒分离。研究结果为结构优化提供了基础数据，并为今后的数值模拟研究提供了实验对比。     

不同强度湍流风对风力机气动载荷的影响

湍流强度是影响风力机载荷的重要因素之一。基于OpenFAST软件对NREL-5 MW风力机进行了不同强度湍流风为入流条件下的数值计算,利用Turbsim软件生成的5%、10%、15%和20%这4种湍流强度的湍流风作为入流条件,探究了不同湍流强度对风力机叶根处的剪切力和弯矩的影响,并分析了不同湍流强度下风力机叶片整体的载荷分布情况。结果表明：随着湍流强度的增加,风力机的气动载荷和气动功率波动幅值相应出现规律性的增加,但大体变化趋势不变。10%、15%和20%湍流强度下的气动功率标准差比5%湍流强度下的分别高出87%、163%和243%,摆振弯矩标准差比5%湍流强度下的分别高出30%、64%和95%;叶片上的弯矩载荷从叶根向叶尖方向逐渐减小,且随着湍流强度的增加,叶片上的弯矩标准差值也随之增加,在叶根处差别最大,从叶根向叶尖方向逐渐减小,到叶尖处完全重合。且10%、15%和20%湍流强度下的叶根处第一个节点位置的挥舞弯矩比5%湍流强度下的摆振弯矩分别高出44.94%、93.1%和137%。湍流强度的增加对叶片的摆振弯矩影响最大。     

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。     

水平轴风力机风轮子午面流场结构的实验研究

利用线式互相关PIV系统,采用轴编码器定位周期采样技术,在不同尖速比下对旋转水平轴风力机风轮不同子午面下游流场结构进行测量.分析得到不同条件下的瞬时图、时均图,重点对叶尖涡诱导效应区进行研究.实验结果表明:在风轮下游尾迹中可清晰看到叶轮近尾迹流场中的外部主流区、叶尖涡诱导效应区和中心尾迹区.其中风轮下游尾迹流管廓线是锥形螺旋体;叶尖涡核直径随轴向距离的增加而增大,随着测试方位角的增加,尾迹中各叶片产生的叶尖涡沿螺旋锥形廓线有序地向下游扩散流动;随着尖速比的增加,内部中心尾迹区轴向速度亏损值逐渐增加,并且中心尾迹区的范围逐渐扩大.     

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。