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。     

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。     

基于嵌套网格技术的风力机叶片绕流数值模拟

采用雷诺平均Navier-Stoker(以下简称N-S)方程及嵌套网格技术发展了一种新的风力机叶片绕流数值模拟计算方法。空间离散采用中心有限体积法,时间推进采用改进的隐式LU-SGS格式。为了便于实施旋转对称性边界条件以及更好地捕捉尾涡,该文采用了嵌套网格技术。应用该方法对美国国家可再生能源实验室设计的CER实验风力机叶片进行了数值模拟,较精确地捕捉了尾涡。压力分布计算结果与实验值和参考文献值吻合较好,验证了计算方法的正确性。     

基于改进型升力面自由涡尾迹法的风力机性能研究

为准确模拟风力机高风速偏航工况下的气动特性,以NREL Phase VI实验叶片为算例,考虑叶片旋转导致的失速延迟现象,通过Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型与Du-Selig失速延迟模型建立三维尾缘分离预估模型,并与升力面自由涡尾迹法耦合。以更精确预测分离点位置和附着涡诱导速度,讨论叶片弦向布置的涡格数量对计算准确性的影响。对比改进前后的升力面模型模拟叶片在高风速下不同偏航角工况的气动性能,结果表明:改进后升力面模型可大幅提高高风速气动性能预测的准确度,两涡格三维尾缘分离预估模型对法向力系数和弦向力系数的模拟最为精确。     

基于尾缘分离模型的风力机独立变桨性能优化

为准确研究风力机高风速非定常气动特性,以NREL Phase VI实验叶片为算例,考虑三维旋转效应和尾缘流动分离现象,建立了Du-Selig三维失速延迟模型与Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型耦合的三维尾缘分离预估模型,并与升力面自由涡尾迹法结合,分析了叶片升力面弦向不同涡格数对模拟准确性的影响;基于尾缘分离因子的周向分布规律,通过独立变桨引入风轮旋转半周期的正弦波桨距角增量,抵消相对来流速度变化引起的攻角增大,以优化风力机气动性能.结果表明:升力面弦向采用2涡格的三维尾缘分离预估模型来模拟叶片法向力系数和弦向力系数最为精确;在每个旋转周期内,叶片尾缘分离因子在180°~360°方位角内较大,且在270°达到最大;经独立变桨后,尾缘分离因子得到减小,减小幅度与变桨幅值成正比,且变桨幅值为5°时,叶片主轴扭矩和挥舞力矩达到最佳优化效果.     

双层翼水平轴风力机气动性能研究

以NREL Phase VI风力机叶片为参照对象,设计一种双层翼叶片.在不同来流风速下,对该新型水平轴风力机叶片气动性能进行数值模拟,对比原始NREL Phase VI风力机在相同来流风速相同叶片高度处的流线图,发现双层翼叶片可较有效抑制流动分离.进一步将双层翼风力机叶片的扭矩值、弯矩值分别与相同条件下NREL Pha...     

风力机叶片及塔架流固耦合分析

采用ANSYS Workbench软件,对国内某200 kW水平轴风力机流场进行数值模拟,计算出风力机叶片表面的压力分布和旋转域速度分布。通过对X方向不同截面总压、湍动能和涡粘性分布情况进行分析,得到了风力机下风向上述3个物理量的变化规律。将风力机流场的计算结果施加到固体计算中,进行风力机叶片和塔架整体的流固耦合模拟计算,分析得出风力机叶片、塔架应力和变形量的分布情况。最后进行模态分析,得到其前十阶振动频率和振型,为风力机安全运行和叶片的优化设计提供参考。     

应用BEM理论与嵌套网格技术的风力机性能预测对比研究

分别采用BEM理论和基于嵌套网格技术的CFD方法,以两叶片NREL Phase VI风力机为研究对象,对不同风速下的风力机性能预测进行研究。将两种方法得到的预测结果与实验结果进行对比。结果显示,BEM方法在全风速范围内与实验值吻合良好,嵌套网格技术方法在低风速区能准确地对风力机性能进行预测,并能显示出叶片绕流流场的流动细节,但在高风速区对风力机的性能预测有较大偏差。     

基于涡尾迹方法的风力机非定常气动特性计算

给出了一种水平轴风力机三维非定常气动特性计算方法.风力机的绕流用预定涡尾迹模型确定,并引入涡核模型和考虑粘性引起的耗散效应对模型进行修正,解决了涡尾迹方法在大叶尖速比时普遍存在的计算发散问题.通过对Leishman-Beddoes动态失速模型中动态失速判据和模拟的修正,更准确计算侧偏风时风轮叶片的非定常气动响应.将三维旋转失速延迟模型与预定涡尾迹模型和动态失速模型适当耦合,从而计算包括三维旋转效应对叶片气动载荷非定常响应的影响,提高了风力机风轮和叶片非定常气动特性计算的准确度.     

复合材料风力机叶片流固耦合分析方法研究

以某2 MW复合材料风力机叶片为研究对象,基于计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析方法研究,重点探讨风力机叶片气动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面的数据传递问题。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟,获取的叶片表面分布压力载荷通过自编的自动加载程序完整精确地传递到有限元网格节点上进行静力分析,实现流体域到固体域的数据传递。同时,根据静力分析后输出的风力机叶片表面节点变形量,建立变形后新几何体的建模方法,从而实现固体域到流体域的数据传递。     

水平轴风力机尾迹流场PIV实验研究

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用PIV粒子图像测速技术对风轮尾迹流场进行了测量。采用锁相平均测量技术,获得了风轮尾迹流场的瞬时速度场、时均速度场、涡量场等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。实验结果表明:风轮叶片尾缘后侧的尾迹中存在轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后,随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后,尾迹低速区逐渐衰减,轴向速度不断增加,尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后,在向下游发展传播过程中,尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线,涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。由于风力机叶片数少,相邻叶片之间的尾迹基本上不存在互相干扰的现象。     

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟

采用基于滑移网格模型的三维非稳态CFD方法,对NREL Phase VI风力机在偏航工况下的动态失速特性进行计算,分析旋转周期内翼型攻角和升力系数的变化,并进一步分析非稳态流动对动态失速的影响。结果表明:偏航工况时,来流风的水平分量和翼型的非稳态绕流会延缓气流分离涡的形成和失速现象的发生,伴随的动态失速现象会显著增加叶片的动态负荷;越靠近叶根动态失速特征越明显,翼型承受的非稳态升力系数最大可达静态升力系数的5倍以上,升力系数迟滞环面积也更大。计算结果能够为风力机优化设计和运行提供理论指导。     

S系列新翼型风力机叶尖近尾迹区域流场数值计算与分析

以S系列新翼型为例,针对设计风速最佳攻角含有叶尖涡的复杂流动,提出一种采用分区域过渡层网格的方法来改善叶尖涡模拟的新网格生成策略。这种利用过渡层网格从叶片的贴体网格区域向中部加密网格区域中捕捉叶尖涡形成的位置和大小,通过控制网格梯度变化能获得高精度计算结果。数值计算和分析表明:该网格能合理捕捉到S系列新翼型叶尖涡的细节变化信息以及叶轮表面压力分布的细节变化特性,发现了风力机叶尖涡在初期向内迁移的现象。证明该网格生成策略合理有效。     

链传动式风力机4种叶轮气动性能对比分析

采用UDF(User-Defined Function)和动网格相结合的方法对链传动式风力机三维流场进行数值模拟研究.通过对不同风速下4种叶轮的压力场、速度场以及风能利用系数的分析计算,发现叶片在流场中的形态对叶片的受力有较大的影响,风力机前后层叶片间的流场均匀地分布会有效提高后层叶片对风能的利用率.     

大粗糙度弦向分布对风力机气动性能影响

针对5 mm大尺度蚊虫尸体在叶片上的附积问题,采用带转捩的k-ω SST湍流模型,以NERL Phase VI风力机为研究对象,从不同弦向覆盖位置入手,对大粗糙度下风力机气动性能进行数值模拟。研究结果表明,粗糙度对风力机整体做功具有较大影响,粗糙度越大效率降低越显著;粗糙度使在叶片靠近叶尖位置的吸力面促成小型低压涡,转捩提前;该效应在大尺度粗糙条件下表现明显,附着涡强度也更大;在叶片压力面添加75%c粗糙度会使翼型产生的气动损失最大。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

锯齿尾缘风力机叶片气动及噪声性能研究

为理解锯齿尾缘风力机的气动噪声原理和气动性能,以NREL Phase VI风力机的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,在7 m/s风速工况下,采用分离涡和FW-H方程模拟相结合的方法进行仿真,获得并对比5个叶片展向位置的压力系数和声信号声压指向性。研究表明,在叶片吸力面靠近叶尖的尾缘区域,风力机原型相比于锯齿型出现了明显的分离现象;锯齿型叶片声压级在前缘处较大,尾缘处次之;锯齿结构改变了壁面分离模式,使流场得到改善,降低了风力机噪声的声压级,提高了叶片的气动性能,同时也说明了风力机叶片前缘与尾缘是噪声集中产生的位置。研究结果能够为风力机降噪提供重要的理论依据。     

风力机三维旋转效应模型研究

在NREL phase VI实验数据的基础上,比较6种不同的三维旋转效应模型。6种模型分别与自由涡尾迹方法耦合,计算该算例叶片的气动性能,并比较6种模型计算的差异。三维旋转效应模型能提高自由涡尾迹方法预估风力机气动性能的准确性,且准确度与是否准确地修正叶片径向截面翼型数据直接相关。     

采用动网格与滑移网格技术的垂直轴风力机启动性能计算

针对垂直轴风力机的启动问题,采用动网格和滑移网格技术进行数值模拟和比较分析,并与公开发表文献的风洞实验数据进行了对比验证。文章通过对风力机启动的非定常过程进行研究,获得了风力机启动性能,并分析了计算所得的速度场。通过分析和综合对比显示,被动型动网格更适于风力机的启动性能模拟,得到的速度场与文献研究结果更接近。该模拟方法更符合流场的实际状态,为垂直轴风力机启动性能数值模拟提供了新思路。     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.