小型风力机风轮叶尖近尾迹区域声辐射测试与分析

为解决小型风力机风轮叶尖近尾迹区域的噪声问题,利用BSWA VS302USB振动噪声采集分析系统,在风洞开口试验段对不同尖速比条件下的水平轴风力机风轮叶尖下游进行近尾迹声场声辐射测试,对叶尖下游的辐射噪声频谱和声压进行了分析.试验结果表明：风轮旋转过程中风力机叶尖辐射噪声频谱是由旋转风轮的基频及其谐波所构成的离散噪声叠加在宽频噪声上组成的,其中叶片离散的旋转噪声在总噪声级中占主导地位.在叶尖翼型后缘下游存在叶尖涡和附着涡诱导效应区,对流场的扰动较大;在风轮叶尖区域叶片周围存在高压力脉动区域,声压级最强部分靠近叶尖下游区域.     

一种风力机风轮设计和优化方法研究

为保证风力机具有最大的风能利用系数,本文主要对水平轴风力机风轮的设计和优化方法进行了研究.通过对叶片翼型的弦长和扭角的优化计算,可以得出叶片的几何参数,包括叶片数、叶片各断面的翼型选择以及叶片根部的安装位置等.根据提出的优化设计方法编制了相关软件,给出的算例说明了采用不同单一翼型设计的风轮在相应设计叶尖速比下的风能利用系数和轴向力系数的变化规律.     

双层反转垂直轴风力机的流场特性数值模拟

针对由垂直轴风力机运行过程中的动态失速问题所导致的功率系数较低的问题,提出双层反转构型的垂直轴风力机. 通过在传统垂直轴风力机内侧设置反转向辅助叶片的方式,改善垂直轴风力机流场,从而提高其功率系数. 将该风力机与传统垂直轴风力机进行计算流体动力学数值模拟对比分析,研究不同叶尖速比情况下两者流场特性的差异以及双层风力机内外层风轮起始运转相位差的影响. 通过计算得到的内层辅助叶片的时均扭矩系数为正,不需要额外功率输入. 外层叶片的扭矩系数结果表明,采用这种构型会降低叶片上游区域扭矩系数的峰值,同时大幅提高下游区域扭矩系数,从而实现时均发电效率的提高. 对流场中涡系结构进行分析,结果表明,功率系数提升的原因是内层辅助叶片的反向旋转抑制了主叶片的动态失速. 特别是当叶尖速比为1.85时,在初始相位差为90°的对比算例中,与传统垂直轴风力机相比,新构型下的叶片时均扭矩系数提高了43.92 %.     

建筑增强型垂直轴风力机气动特性数值研究

为捕获建筑环境中蕴藏丰富的高品质风能,结合高耸建筑的高度优势与建筑扩散体强化风速效应,将垂直轴风力机放置于不同建筑扩散体之间,通过数值模拟的方法研究建筑增强型垂直轴风力机在具有不同实度与不同翼型时的气动特性.结果表明:建筑扩散体可大幅提升风力机获能效率,建筑增强型垂直轴风力机较原始垂直轴风力机最大风能利用系数提升4.47倍,其最佳尖速比位置向右偏移,但其载荷波动较剧烈,且对建筑外廓敏感,其中圆弧形截面建筑可有效减小建筑分离涡造成的影响.随着实度的增加,建筑增强型垂直轴风力机风能利用系数先增大后因叶片间干扰而减小,其载荷波动和自启动性在多叶片时得到明显改善.对于不同系列的翼型,FXLV152翼型有助于减小疲劳累积损伤,最大厚度较大的NACA0021翼型有利于提高风力机的获能效率,S809非对称翼型则不适用于建筑增强型垂直轴风力机.数值结果为建筑增强型垂直轴风力机的工程应用提供部分参考依据.     

尾缘射流式垂直轴风力机气动特性数值分析

为抑制翼型表面流动分离并提高风力机叶片气动性能,将可靠性较高的吹气射流技术应用于垂直轴风力机叶片尾缘。采用数值模拟方法分析不同尾缘射流角度对垂直轴风力机风能利用系数、力矩系数及单叶压力与整机涡量的影响。模拟结果表明:在最佳尖速比(2.63)时,10°射流可以有效降低翼型尾缘脱落涡频率,有效控制叶片尾迹效应,整机效率及运行稳定性均优于0°尾缘射流式垂直轴风力机;在较低尖速比时,风力机单叶力矩峰值均集中在120°相位角,尾缘10°射流对整机力矩系数有显著提升效果;在较高尖速比时,单叶翼型压力面存在较大正压区,风能利用系数最大可提高11%左右,气动性能明显优于无射流垂直轴风力机。尾缘射流降低了风力机叶片所需承受的轴向载荷,提高了风力机输出功率。不同角度尾缘射流均能有效降低叶片表面流动损失进而延缓流动分离,数值结果为尾缘射流式垂直轴风力机的工程应用提供了部分参考价值。     

基于统一变桨距控制的立轴风力机启动性能

为提高立轴风力机的启动能力,提出了适宜低尖速比运行的桨距角变化规律,并设计了一种变桨执行机构以实现多组叶片的统一变桨距控制。从变桨执行机构、翼型选择、风轮结构和控制系统等方面介绍样机设计原理,并进行了样机性能实验。结果表明:对称翼型厚度为15%时最佳,而非对称翼型的最大厚度不超过10.4%;实验数据与理论值变化趋势一致,理论值相比实验数据高出20%~30%;通过增加上盘面顺风区叶片迎风面积可以提高启动能力。     

基于升力线理论的风力机气动性能分析方法

为了提高风力机气动载荷的三维计算能力与计算稳定性,采用螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数.通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,计算了风力机的各项气动性能参数,并建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法.在FORTRAN平台中创建了分析程序,计算了风力机的气动载荷并与传统叶素动量理论进行了对比.结果表明,所开发的数值计算模型具有较高的计算能力与计算稳定性.     

水平轴风力机的叶片设计与基于CFD的流场分析

选用NACA44系列翼型,基于经典的Glauert旋涡理论进行风轮模型设计。在FLUENT软件中采用不可压N-S方程和k-ωSST两方程湍流模型对该风力机进行三维旋转流场的数值模拟,得到流场的流动细节与流动特性,从而对风力机流场进行分析。探索性地研究了三维旋转流场物性参数的分布特征以及叶片周围流场的分布规律。     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

H-VAWT设计参数对其叶尖损失的影响

为了探讨在H-VAWT叶片上增加叶尖小翼或增大展弦比对风力机整体气动性能的作用和影响,计算和分析研究了不同设计参数对其叶尖损失的影响.首先以有限展长H-VAWT的气动性能为基准,将无限展长H-VAWT与之相比较所得到的气动性能的相对差值来分析设计参数—实度和翼型对其所生成的H-VAWT叶尖损失的影响,又通过比较不同展弦比所生成的H-VAWT的气动性能,分析总结了展弦比对H-VAWT叶尖损失改进的效果.结果表明:无论生成H-VAWT的设计参数(实度和翼型)如何,当H-VAWT工作在较高尖速比下(λ≥1.60),更适合使用改善叶尖损失的措施来改善H-VAWT的气动性能;当H-VAWT实度比较大(σ≥0.96)或生成H-VAWT的翼型较厚时,有必要增加叶尖小翼或加大叶片展弦比来减少叶尖损失的不利影响,改善H-VAWT气动性能;加大叶片展弦比对H-VAWT气动性能的改善是有限的,基于设计要求及其他几何参数的限制,H-VAWT展弦比在5≤μ≤20范围内较合适.     

不同布置方案风力机尾流及相互作用的实验研究

以不同布置方案的风力机尾流场为研究对象,运用压差式风速仪对风力机尾流场的相互作用进行研究。对于2台风力机,当下游风力机(第2台风力机)全部或部分置于上游风力机(第1台风力机)的尾流场时,对下游风力机的尾流场进行测量。实验结果表明:当下游风力机全部置于上游风力机尾流场时,近尾流场受上游风力机尾流的影响较大,远尾流场受上游风力机尾流的影响较小,当两风力机轴向距离5D时,上游风力机对下游风力机的影响整体较小,且来流逐渐融合,表现出小幅度波动现象;当下游风力机部分置于上游风力机尾流场时,处于尾流场中的部分受上游风力机尾流(主要是叶尖涡)的影响,与尾流区外的相比,该部分的尾流区速度损失严重,但稳定性较好,当风力机横向距离大于1.5D时,随着横向距离的增大,轴向速度逐渐增大;随着轴向距离的增大,2种布置方案下轴向速度的变化幅度均逐渐减小。     

Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine

Large-eddy simulation(LES) with fully resolved rotor method(FRM) is applied to explore the turbulent wake flow characteristics and vortex evolution laws of a two-bladed horizontal-axis wind turbine. Relevant wind tunnel experiments have been done based on time resolved particle image velocimetry(TRPIV) technique. The simulation results are validated by the experimental data and they are in good agreement. The axial average velocity, turbulent kinetic energy, shear Reynolds stress, and vortex structure of the wind turbine wake are analyzed based on the comparison of LES results and experimental data. It is observed that the wake diameter of wind turbine enlarges with the increase of tip speed ratio(TSR). Turbulent kinetic energy meets its minimum value when x/R=2.0. Shear Reynolds stress appears a positive peak in the near wake when x/R2.0, and the value of shear Reynolds stress decreases along the axial direction. The blade tip vortex dissipates more quickly than the central vortex in the wind turbine wake, and the gradient of the relationship curve between the blade tip vortex core position and the vortex age decreases as the TSR increases. With the increase of TSR, the thrust coefficient increases, and the power coefficient increases first and then decreases.The present work proves that LES with FRM could calculate wind turbine turbulent wake flow with a high accuracy.     

基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

为了提高风能利用效率,合理设计风电场,基于ANSYS Workbench有限元仿真平台以水平轴风力发电机为研究对象,在额定工况条件下对风力发电机周围流场特性进行了流固耦合分析,得到了风力发电机尾迹及叶片附近旋转域流场的风速、风压分布.结果表明:在风力发电机后不同距离的截面处,其湍动能沿竖直方向均呈现“M”型变化趋势;在水平方向上,部分流经叶片的空气产生了旋转,并具有向四周扩散的现象;在叶片旋转域中,沿叶片径向其风压与风速不断增大.     

水平轴风力机流场的数值模拟

采用NRELS809翼型数据建立了水平轴风力机的整体模型及整机的流场模型.利用Fluent软件对模型进行仿真计算.结果表明,叶片截面形状对流场变化有影响.其中气流在叶片前后流场变化较大,叶片后部易出现涡流,存在负压,而叶片长度方向上的截面气流也有变化.     

水平轴风力机叶片非定常气动特性分析

针对水平轴风力机叶片的非定常气动特性,采用状态空间描述的、改进的BL动态失速模型进行风力机翼型非定常气动力分析.模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应,考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中2个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另2个用于描述后缘分离效应,得到了风力机翼型非定常气动升力、阻力和力矩状态变量表达式及计算流程.通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性.     

风力机尾流场的实验研究

为了获得风力机的尾流场信息,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据,利用轴流式风机提供来流风速,使用皮托管和手持风速仪对无风力机情况和单个小型风力机的尾流场进行测量,获得尾流区域的速度场、压力场以及诱导速度场的分布规律.结果表明：对于无风力机的情况,在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小;对于有风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小;对于不同测量断面,随着测量间距的增加,在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增加呈下降趋势,而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

基于麦克风阵列测量的机翼脱落涡噪声研究

应用由111个麦克风且成的平面麦克风阵列对当前流行的民用客机进场着陆过程中的飞机品怕源进行了测量分析,在国际上首次发现了机脱落涡单音噪源,并且得到了这种噪声源的频谱特性、指出特性和声级变化特征。     

Experimental study of the wake characteristics of a two-blade horizontal axis wind turbine by time-resolved PIV

Wind tunnel experiments of the wake characteristics of a two-blade wind turbine, in the downstream region of 0x/R10, have been carried out. With the help of the time resolved particle image velocimetry(TRPIV), flow properties such as the vortex structure,average velocity, fluctuations velocities and Reynolds stresses are obtained at different tip speed ratios(TSR). It is found that the wind turbine wake flow can be divided into velocity deficit region, velocity remained region and velocity increased region, with generally higher velocity deficit compared with a three-blade wind turbine wake. Once a blade rotates to the reference 0° plane,the tip vortices generate, shed and move downstream with the intensity gradually decreased. The leapfrogging phenomenon of tip vortices caused by the force interaction of adjacent vortices is found and more apparent in the far wake region. The axial fluctuation velocity is larger than radial fluctuation velocity at the blade root region, and the turbulent kinetic energy shares the similar trend as the axial fluctuation velocity. The axial normalized Reynolds normal stress is much larger than the radial normalized Reynolds normal stress and Reynolds shear stress at the blade root region. As the TSR increases, the radial location where the peak axial normalized Reynolds normal stress u'u'/U~2 and axial fluctuation velocity appear descends in the radial direction.