1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

风力机叶片三维数值计算方法确认研究

采用CFD软件包FINETM/TURBO,以两叶片NREL PhaseⅥ风力机的风轮为对象,进行了风力机风轮叶片三维绕流的定常粘性数值模拟研究。通过详细对比计算结果与实验数据(包括功率、叶片展向5个截面压力系数分布及沿叶展方向载荷系数分布),确认在大部分风速条件下数值模拟可以很好的预计风力机气动性能。然后分析了计算域尺度、边界条件和湍流模型等对数值模拟结果的影响,为采用CFD技术对实际风力机叶片三维气动性能进行精确数值模拟提供参考。     

风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究

运用叶素理论和气动理论,基于设定的风力机性能参数对风轮叶片进行三维设计。利用Gambit建模软件对风力机单叶片进行三维建模,再用Fluent软件进行风力机叶片气动性能的数值模拟,仿真叶片气动流场流态,并计算叶轮的升力、阻力和扭转力矩;验证风力机气动性能数值模拟的可行性和可靠性;计算发电机组功率和风能利用效率等性能参数。对风力发电机叶片的设计和气动数值模拟计算分析的工作可深化对风力发电机组三维叶片的气动性能的了解,仿真风力发电机组气动流场,能为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供技术参数和指导意见。     

水平轴风力机气动性能的大涡模拟研究

水平轴风力机风轮气动性能计算能准确描述风力机的运行状况,为风力机风轮气动设计结果提供评价和反馈.为探索风轮气动性能高精度的计算方法,在南航利用CFD软件Fluent中使用大涡模拟,对SVIAB WG500风力机的气动特性进行数值研究,并对洞壁干扰因素进行修正.结果证明,由于能够对大尺度涡流精确计算,大涡模拟比S-A模型在风力机气动性能计算上具有更高的精度.在大涡模拟计算结果的基础上,对三维风轮气动性能做进一步地分析,得到SVIAB WG500风力机的最佳运行尖速比以及沿叶高方向翼型气动变化规律.     

100 W风力机叶片仿生设计与试验研究

通过数值模拟,分析家燕翼型气动性能;采用家燕翼型,改进100 W水平轴风力机叶片;进行仿家燕翼型叶片气动性能分析;搭建小型水平轴风力机测试平台,完成仿家燕翼型风力机与标准风力机效率对比试验。结果表明:家燕翼型气动特性优良,最大升力系数是标准翼型的1.78倍,最大升阻比是标准翼型的1.77倍;仿家燕翼型叶片输出功率高于标准叶片,平均提高26.48%。     

偏航工况下叶片翼型动态特性研究

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟（LES）方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明：风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。     

水平轴风力机翼型设计与动态失速数值模拟

利用XFOIL软件对水平轴风力机叶片的参考翼型进行了改进设计,通过数值模拟的方法评估获得:所设计的翼型优于参考翼型,满足设计要求;由于风力机叶片在动态失速时的特性较为复杂,该文针对某一个设计翼型进行了动态失速的数值模拟,使用FLUENT软件编写用户函数,获得漩涡产生、发展和脱落规律,比较翼型在动态和稳态的升力和阻力特性,并提出了考虑失速效果的风轮气动设计和性能改进的意见.     

6种风力机叶片翼型的气动性能数值模拟研究

选取NACA4412,NACA4418,FFA-W3-211,FFA-W3-360,FX60-126和NREL-S809等6种常用风力机叶片翼型,进行二维几何建模和计算域网格划分,运用FLUENT软件对风力机叶片翼型的空气动力性能进行数值模拟和仿真分析;并与实验数据进行参照、对比和分析,验证数值模拟的可靠性.对风力机叶片常用翼型进行气动数值模拟计算和分析,可深化了解风力机翼型的气动性能,为风力机叶片翼型选型和叶片翼型改型设计和研发工作提供技术参数和指导意见.     

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)的方法对水平轴风力机桨叶翼型的霜状积冰进行了数值模拟。模拟采用四阶龙格-库塔法求解水滴运动轨迹,假定水滴在与叶片相碰撞的点处完全凝结,并且冰沿着翼型表面法向方向增长,通过模拟得到了某风力机厂家提供翼型在不同时间段叶片表面结冰后形成的冰形,同时利用FLUENT软件模拟了风力机叶片翼型周围流场的变化,并与结冰前该翼型的气动性能进行了对比。研究结果表明与干净翼型相比,在模拟气象条件下的结冰翼型的最大升力系数大约减少了27%,阻力系数增加了约38%,失速攻角降低了4°。根据模拟可以认为,结冰后翼型提前进入失速区是造成桨叶气动性能恶化的主要原因。     

水平轴风力机静态失速特性

采用叶片表面边界层理论分析,三维旋转流场的数值模拟以及实验风力机模型的流动测量方法对水平轴风力机的静态失速特性进行了较为系统的研究。研究表明,旋转速度使得实际三维旋转风轮翼型表面的静压分布与二维非旋转条件下翼型表面静压分布产生较大差别,这是造成静态失速的原因之一。     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

垂直轴风机叶片覆冰数值模拟及其气动性能研究

研究升力型垂直轴风机叶片的覆冰特性,为风机的防冰、除冰系统研发提供帮助。文章对垂直轴风机叶片的雾凇覆冰物理过程进行了分析,建立了风机叶片覆冰的数值计算模型。通过SST k-ω湍流模型求解旋转叶片周围的空气流场,利用拉格朗日法获得过冷却水滴的运动轨迹及碰撞情况,结合覆冰时间推进法得到叶片表面的覆冰形貌,并通过流场计算分析覆冰对风机气动性能的影响。利用该计算模型研究了不同叶片翼型、叶片数量以及叶尖速比λ对垂直轴风机叶片覆冰的影响。结果表明:当风机的λ增大时,风机叶片表面的覆冰更多的向叶片前缘尖端区域集中,叶片后缘的覆冰量减少;在同一覆冰条件下,不同叶片翼型、叶片数量和λ对垂直轴风机的整体覆冰量、单个叶片的覆冰量以及叶片表面的最大覆冰厚度均产生重要影响;不同叶片翼型、叶片数量和λ的风机的静态扭矩特性受覆冰影响差异大。     

考虑风剪切的1.3MW风力机整机三维定常流动数值研究

分别采用均匀风和剪切风对1.3 MW失速调节风力机整机在8 m/s和13 m/s来流风速下的绕流流场进行全三维定常数值模拟。根据模拟结果分析叶片不同截面的压力系数分布、沿叶展方向的功率分布、风轮三维流场细节、风轮下游不同距离处的静压分布和二维相对速度矢量分布情况。结果表明：剪切风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;在靠近叶根处,适当地减小有效攻角可提高翼型气动性能,选择适应较大攻角的翼型,可以提高叶根处的输出功率;在靠近叶尖的部位,适当增加有效攻角,同时选择适应小攻角的翼型可以提高叶尖处的输出功率;在叶根部位,发生了明显的流动分离;塔架与轮毂所在位置的下游尾迹处产生的漩涡和干扰要远远大于叶轮面其他部位。     

前缘气膜孔对涡轮静叶冷却效果影响的数值模拟

采用全三维数值模拟技术,利用k—ε双方程湍流模型和SIMPLE算法,通过求解三维粘性可压缩Favre平均Navier—Stokes方程。对某新型燃气轮机第一级气膜冷却静叶叶栅的三维湍流流场进行了数值模拟。分别通过改变燃气轮机前缘气膜孔的参数,计算出叶片外表面的温度分布和冷却空气流量大小。结果表明,前缘气膜孔的直径、数目以及射流方向对叶片表面冷却效果的影响是非常显著的。从而提出了一种叶片前缘气膜冷却设计的新方案,为工程设计提供了有价值的参考。     

新型双风轮风力机气动特性的三维流场数值模拟

基于Simplic算法,采用SST κ-ω湍流模型,利用Fluent6．3数值模拟软件对新型的小型双风轮风力机的气动特性进行了三维流场研究,并与同规格单风轮风力机的三维流场进行了比较．结果表明：与单风轮风力机相比,随着后风轮叶片数目的增加,新型双风轮风力机的湍流强度变大,风力机运行的稳定性在一定程度上有所降低;当后风轮的叶片数目合理时,后风轮对前风轮的影响较小,且可以有效地捕捉到前风轮的漏风,使得新型双风轮风力机的风轮在获得较大迎风面积的同时可以保持较高的转速,进而能够高效地实现风能的两级利用,明显提高发电功率和增大风能利用系数．     

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CFD技术的垂直轴风力机关键气动问题研究

采用CFD软件对麦克马斯特大学垂直轴风力机进行数值模拟,结果表明:在不同叶尖速比下,风力机计算功率与风洞试验数据吻合良好;风轮中上行叶片尾流影响下行叶片气动特性,与单根叶片风力机模型相比,叶片扭矩峰值降低,峰值发生时间延迟;旋转叶片与平流流场中叶片相比,扭矩峰值有显著提升;叶片的附加质量效应有助于风力机降低支撑杆的设计强度,但增大了叶片与支撑杆的作用力;具有弯度翼型的风力机功率输出峰值相对于原始风力机功率输出高3.7%,且顺风向推力也低于原始风力机。     

水平轴风力机尾流特性的数值研究

对600kW单风轮和7倍风轮直径(7D)间距的两风轮水平轴风力机在不同来流风速条件进行三维流场数值模拟.结果显示:风力机下游流场存在三维速度流动,轴向速度在尾迹区存在明显亏损,且随尾迹向下游的发展,轴向速度亏损逐渐减少.不同来流风速条件下风轮尾迹流的发展有一定区别,在来流风速较低的条件下尾流风速恢复较快.风场在布置风力机时应考虑当地的风速条件,若多数情况在额定风速或超过额定风速工况下运行,则前后风轮间距应大于7倍风轮直径;否则可考虑缩短前后风轮间距.     

海上风力机的数值模拟

针对海上风力机运行的特点,根据NRELS809翼型数据,建立了水平轴风力机的整体模型。采用空气和水的两相流模型模拟海上工况,对模型进行数值计算,得到叶片绕流的速度分布和压力分布,并对两相流和单相流的变化情况进行了对比,最后对塔架的压力分布进行计算说明。研究结果表明:在两相流工况下,风轮叶片具有较高的功率系数,但该工况对叶片的强度、材料要求较高;气流流过叶片后均存在速度亏损,并在1倍风轮半径处趋于稳定;风轮对塔架的压力分布产生一定影响。     

钝尾缘翼型三维特性研究

采用基于雷诺平均的流体力学计算方法,分别对100 k W钝尾缘风力机、钝尾缘翼型及对应的尖尾缘风力机和翼型进行数值模拟研究,利用反BEM方法从旋转叶片计算结果中获得翼型的三维流场信息。研究结果表明,钝尾缘翼型应用于叶片内侧,其气动性能优于相同厚度的尖尾缘翼型,叶片根部存在明显的展向流动,与旋转导致的边界层方程中的对流项、科氏力项及离心力项直接相关,是造成钝尾缘翼型三维气动特性明显有别于二维的原因,此差异还与翼型展向位置、攻角关系密切。