吸能超双疏防覆冰涂层对风机叶片防覆冰影响研究

为了解决风机叶片的覆冰问题,对风机叶片基材涂覆吸能超双疏防覆冰涂层,研究吸能超双疏防覆冰涂层的接触角、滚动角、覆冰减少率、冰粘结力、低温脱冰性能和表面温升。通过实验表明:吸能超双疏防覆冰叶片样板具有超疏水、超疏油性能,覆冰比空白叶片样板减少了55%,水平粘结力比空白叶片样板减少了99%,垂直粘结力减少了89%;吸能超双疏防覆冰涂层表面有温升效果,-2℃环境温度下,晴天天气涂层表面温升为4.2℃,多云天气涂层表面温升为2.4℃,阴天天气涂层表面温升为1.7℃。因此,超双疏防覆冰叶片具有超双疏、减少覆冰量、降低冰附着力和低温脱冰的性能,改善了风机运行中叶片覆冰的问题。     

基于FLUENT的风力机叶片翼型NREL S809覆冰的数值模拟

对经典风力机叶片翼型NREL S809的覆冰过程和翼型覆冰前后的气动性能进行了研究。利用FLUENT软件自带的离散相模型DPM及用户自定义函数UDF,求解出翼型表面的水滴运动轨迹方程、水滴的撞击极限和局部收集系数;选用经典的Messinger积冰传热模型计算积冰厚度,得到积冰形状;并分析在不同的攻角下,洁净翼型与覆冰翼型的气动性能。研究指出,覆冰导致翼型的气动性能发生畸变,升力系数下降,阻力系数上升,升阻比减小,升阻比最大降幅达到85.97%;覆冰后的翼型会提前进入失速区,破坏了翼型原有的流线,会造成翼型空气动力特性恶化。     

覆冰对风力机专用翼型气动性能影响的数值研究

利用商用CFD软件和S-A湍流模型,对风力机常用的NREL S809翼型在不同覆冰形态、覆冰厚度下的静态流场和动态流场进行了数值计算,得到了Re=1×106时各种覆冰情况下该翼型的气动性能,并研究了不同的覆冰形态对风力机翼型静态、动态失速特性的影响.结果表明：向吸力面生长的覆冰形态会造成覆冰层后的分离涡,随着攻角的增加分离涡向后缘生长,造成升力系数的较大下降,阻力系数增加;沿弦向生长的覆冰对尾缘分离涡的生成影响较小;在动态失速情况下,翼型周围流场比较复杂,覆冰形态对翼型升力系统的影响规律也较复杂;从静态流场特性分析,覆冰破坏了翼型的流线从而直接影响了翼型的气动性能;从动态流场特性分析,覆冰改变了翼型动态升力系数曲线的斜率从而影响到风力机的气动弹性稳定性.     

翼型型线改变的三叶片H型垂直轴风力机气动特性研究

为改善H型垂直轴风力机(VAWT)的气动特性,文章研究了6种翼型型线改变后的翼型对H型VAWT气动特性的影响,并进行了数值模拟计算和风洞试验。风洞试验验证了模拟计算的结果,证明了型线改变后的风力机对提高气动性有积极的作用。试验结果表明:1波浪型风机和Dimple型风机均可在一定叶尖速比(λ)范围内提高风力机的风能利用率,其中1波浪型风力机在低λ下最高可提高风能利用率13.76%,其单叶片切向力在下游区明显增大;Dimple型风力机在高λ下最高可提高风能利用率14.6%,其单叶片切向力在上游区明显增大。两种改型后的翼型均可改善流动分离,并提高VAWT的气动性能。     

叶片覆冰对风电机组关键结构安全性的影响

为研究低温条件下叶片覆冰对风电机组关键部位振动频率、翼型气动性能、发电功率、极限载荷和疲劳载荷的影响,对某3.XMW风电机组在覆冰、未覆冰条件下,基于IEC61400-1标准、线性疲劳累计损伤理论、雨流循环计数法,通过仿真软件建立该机型覆冰、未覆冰两种模型并进行计算。计算结果表明,叶片覆冰导致叶片和塔筒振动降低,翼型升力系数降低,阻力系数升高,发电功率降低,覆冰条件下的叶根、旋转轮毂中心、固定轮毂中心、偏航中心、塔筒底部极限载荷和等效疲劳载荷增大,最大累计循环次数降低,其中叶片挥舞载荷增幅最大。研究成果可为叶片覆冰时机组优化提供参考。     

直线翼垂直轴风力机静态叶片结冰的观测与分析

设计制作了采用NACA0015翼型的直线翼垂直轴风力机叶片,安装于寒冷地区的室外.冬季,对雨雪等在静止叶片表面的附着情况进行了现场观测.将获得到的叶片表面结霜和结冰(霜状冰和瘤状冰)的观测结果与温度、湿度、风速和风向等气象条件进行了对比分析,研究了静止叶片表面结霜和结冰的产生机理与气象条件的影响关系.针对翼型表面瘤状结冰情况下翼型改变前后的静态升阻力系数进行了数值模拟计算,分析了翼型改变对升阻力特性和静态特性的影响.     

相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析

在不考虑连杆、转轴及叶尖损失的简化模型基础上,利用Fluent软件采用雷诺平均Navier-Stokes方程与k-ωSST湍流模型对直叶片垂直轴风力机进行了数值模拟.对比了相同叶尖速比λ=4,叶轮半径r分别为1 m和2 m的垂直轴风力机的气动性能.结果表明,在来流风速V∞和叶尖速比λ相同的情况下,不同半径的垂直轴风力机具有十分相似的翼型表面压力分布,对应位置处的升、阻力系数相差不大.     

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.     

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。     

水平轴风力机桨叶覆冰数值模拟

利用CFD软件对所取多个翼型截面为基准下的风力机桨叶和风轮覆冰进行数值模拟,在针对三维风力机桨叶结冰时,采取截取多个翼型进行二维覆冰模拟得出覆冰冰形,从二维覆冰的形状和覆冰的覆盖区域以及覆冰量的规律去判断整个桨叶覆冰的属性,且在之后针对风力机桨叶覆冰前后性能进行对比分析。研究结果对风力机桨叶的覆冰机理和风力机运行控制具有一定意义,且为风力机桨叶覆冰的实验研究提供了理论基础和对比数据。     

叶片覆冰对抗冰冻机组疲劳载荷的影响研究

风电机组叶片覆冰后叶片质量增加、翼型气动性能变化,引起风轮质量不平衡与气动不平衡。机组的载荷特性发生变化,将对关键部件的疲劳载荷产生影响,进而影响机组的安全性与可靠性。文章依据IEC标准对覆冰工况的要求,在考虑叶片覆冰后叶片质量与气动性能变化的基础上,提出两种不同的寿命周期,来研究叶片覆冰状态及覆冰时间对风电机组关键部件等效疲劳载荷的影响,结果表明叶片不均匀覆冰、覆冰时间及低温环境空气密度对机组关键部件疲劳载荷有较大影响。     

基于灰色FTA的风机叶片覆冰对机组运行可靠性影响研究

文章针对风机叶片覆冰影响机组运行可靠性的问题,提出了风电机组灰色FTA模型。根据新疆某风电场风机叶片覆冰期运行数据的统计分析,通过建立灰色矩阵集,对叶片覆冰时风电机组故障数据进行处理;计算覆冰与其它常见故障的灰色关联度,进行灰色FTA分析,并排序绘制FTA故障图。得出叶片覆冰与变桨逆变器ok信号丢失、机舱加速度超限等故障的关联度较大,在覆冰情况发生时需重点排查的结论。研究结论对降低风电机组运维成本,进一步提高运维效率具有重要的意义。     

风力机翼型覆冰形态及其失速特性研究

为研究风力机翼型覆冰形态及其失速特性,采用覆冰软件FENSAP计算风力机翼型的雾凇、雨凇覆冰形态。使用Fluent流体仿真软件计算覆冰前后空气流场,翼型升力系数、阻力系数。研究结果表明,风力机翼型雾凇覆冰呈规则流线形,雨凇覆冰呈角状冰。覆冰后,翼型空气动力特性发生较大变化,其升力系数减小,阻力系数增大,失速攻角减小。雨凇加剧破坏翼型气动外形,对翼型升阻特性的影响最严重。     

叶片安装角对H型垂直轴风力机气动性能的影响研究

通过对直叶片垂直轴风力机在不同翼型、尖速比和实度组合状态下改变其叶片安装角得到的模型进行流场计算,总结以上3种情形下不同安装角对直叶片垂直轴风力机气动性能的影响:在以上3种情形下,负安装角对其气动性能不利;最佳气动性能安装角为1°~3°;安装角对其性能的影响相对有限(NACA0015,尖速比λ=1.5时,功率系数CP值从31.3%增加到34.5%),翼型厚度对气动性能的影响较大(21%厚度翼型,其C_P值约为40%),欲得到更好的CP值,最好通过改变翼型或增加翼型厚度来实现;当叶片翼型的相对厚度较小或工况为高尖速比下时,有必要通过改变安装角改善风力机的性能。     

叶片转角对小型Savonius风机气动性能的影响

Savonius风机是一种典型的垂直轴风力发电机,通过对其进行流固耦合分析,研究叶片转角对风机气动性能的影响。利用ANSYS的CFX流体模块,流体湍流模型选择基于RANS的标准k-ε湍流模型,对风轮进行流固耦合分析,从而获得叶片产生的力矩情况,并计算了风机的功率特性。利用求解结果,得到了力矩系数与叶片转角之间的关系。分析了风机叶片在旋转一周中所产生的最大扭矩以及负扭矩所处的位置和范围。通过分析转角对风机性能的影响,可为今后的Savonius风机叶片形状优化和效率提升提供参考。     

风力机叶片前缘单排孔射流成膜特性研究

针对寒冷气候条件下大型垂直轴风力机叶片翼型前缘结冰问题,提出一种新的叶片防冰、除冰方法 -气膜加热法。通过在风力机叶片翼型前缘开设气膜孔,并对三维静叶片进行数值模拟研究,观察其成膜情况,从而确定孔径和孔间距大小。将设置好孔径、孔间距的三维风轮进行变工况非稳态数值模拟,通过分析三维风轮气动特性,确定最佳运行工况,并观察该工况下不同时刻叶片表面成膜情况。最后,运用相似理论,对按同比例缩小的原型机进行试验分析,将模拟结果与试验研究进行对比,发现两者平均转矩随尖速比变化趋势基本一致。说明开孔翼型不但能起到很好的防冰、除冰作用,而且适当开孔后叶片气动性能变化不大。     

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

覆冰翼型气动性能和噪声特征的数值研究

利用Fluent软件预测了风力机翼型在覆冰状态下的气动性能和气动噪声,采用大涡模拟与基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法模拟了不同覆冰状态下的声压级频谱和功率谱密度分布特征,分析了攻角和来流风速对声压级频谱和功率谱密度分布特征的影响。结果表明:覆冰使翼型的气动性能下降,升力减小,气流与壁面提前分离并进入失速区;明冰对翼型气动性能的影响最显著,霜冰次之;翼型覆冰后气动噪声明显增大,尤其覆明冰时翼型的气动噪声更突出;翼型覆冰前后气动噪声均随攻角增大而提高,未达到和超过失速攻角时气动噪声分别呈低频离散特性和宽频特性;来流风速对气动噪声的影响体现在总声压级上,各监测点的总声压级均随来流风速的增大而增强。     

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型.通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系.     

垂直轴风力机叶片翼型结冰的数值计算

为研究寒冷气候条件对直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰的影响,对该种风力机叶片常用的NACA0015翼型进行了翼型结冰的数值模拟计算.计算基于二维定常不可压缩流体的N-S方程,并引入离散相模型DPM.参照实际风力机野外工作环境参数,通过改变风速和空气中水滴流量等条件,计算了在8种典型攻角下的翼型表面结冰分布情况.结果表明:气流中所含的过冷水滴量和风速是影响风力机翼型表面结冰的关键因素;风速较低时,水滴流量的影响占主导作用;翼型攻角不同,其表面结冰的厚度、面积和生长趋势不同.在一定攻角范围内,翼型表面的结冰面积随翼型迎风面积、风速和空气中水滴流量的增加而增大.在一定条件下,结冰面积可达到翼型面积的30%以上.