合成射流控制策略对垂直轴风力机性能影响研究

设计一种斜出口合成射流激励器并将其应用于垂直轴风力机控制其动态失速,建立不同射流孔数量的叶片并采用5种不同合成射流激励器控制策略,通过FLUENT15.0并采用Realizable k-ε湍流模型分析射流孔数量与控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响,进一步研究垂直轴风力机涡量场结构。结果表明:当采用上开口抛物线控制策略、射流吹气系数为0.035,射流孔数量为2时,风能利用系数与平均力矩系数均提升15.2%,随着射流孔数量增多,气动性能降低;采用传统合成射流控制策略的垂直轴风力机承受近乎2倍的载荷波动,改进的控制策略可减小叶片在小攻角时的载荷波动,从而相对提升垂直轴风力机的运行稳定性;另外,合成射流技术可抑制叶片吸力面大涡的生成与发展并使叶片强尾涡削弱成多个小尾涡,减小多个叶片间的流动干扰并降低转轴尾涡强度,从而改善全局流场结构。     

尾缘非定常射流襟翼对垂直轴风力机气动特性影响研究

为提升垂直轴风力机气动性能并改善其动态失速特性,将射流襟翼布置于翼型尾缘压力面,并提出5种射流控制策略,采用计算流体力学方法研究不同策略对垂直轴风力机气动性能影响,从而确定最佳控制策略。结果表明：在180°~360°相位角范围内施加射流控制可使风力机风能利用系数在最佳尖速比下提升31.31%,并有效抑制吸力面尾缘涡形成与发展,增大翼面两侧压差;射流越靠近尾缘,垂直轴风力机气动性能提升效果越好。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

拉索式垂直轴风力机结构分析

轻量化是垂直轴风力机设计的主要内容。垂直轴风力机叶片与叶片回转面垂直,叶片转动产生的离心力与叶片长度方向垂直,离心力对叶片受力和变形影响很大,叶片容易产生弯曲变形。要尽量减轻回转件的重量,减少离心力对叶片变形的影响。针对该情况提出了一种拉索式垂直轴风力机设计,通过外伸横梁实现在叶片内外两侧同时用拉索拉紧叶片,使叶片固定在横梁上,减少了钢制刚性横梁的使用,极大减少了垂直轴风力机回转结构的重量,达到了垂直轴风力机轻量化目的。分析了拉索式垂直轴风力机的结构特点,对拉索施加合适的预紧力的计算提出仿真要点。     

改进型格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响

直线翼垂直轴风力机气动效率普遍较低,为此提出一种具有内侧、外侧、双侧格尼襟翼和凹槽格尼襟翼的翼型叶片以提升其气动性能。通过数值模拟研究6种新型叶片对垂直轴风力机风能利用率、力矩系数、流场结构和叶片切向力等气动性能的影响。结果表明：6种格尼襟翼叶片均可在一定尖速比（TSR）范围内提高风能利用率,外侧凹槽格尼襟翼最大风能利用率可提高17.92％;外侧格尼襟翼与双侧凹槽格尼襟翼相比原始叶片可有效降低风力机载荷波动并提高平均力矩系数;双侧dimple-GF可改善动态失速特性,明显抑制旋涡发展;单叶片切向力在上游区明显增大,有效提高了风力机气动性能。     

仿鸮翼非光滑前缘对风力机叶片气动性能的影响

经过数百万年的进化,鸮形目鸟类在其飞行行为上显现出许多优异的特征。文章选取鸮翼的非光滑前缘作为仿生对象,设计出一种仿生风力机叶片,并分析非光滑前缘结构对风力机叶片气动性能的影响。采用S-A湍流模型,对低雷诺数下原型风力机叶片和仿生风力机叶片进行绕流流场模拟。模拟结果表明,在大攻角下,仿生风力机叶片的前缘凸起能够改变气流在叶片表面的流向分布,使气流在吸力面仍保持附着流动,进而减少叶片吸力面的失速区,有效延缓叶片失速现象的发生,从而使得仿生风力机叶片的失速角比原型风力机叶片的失速角推迟了10°左右,改善了风力机叶片的气动性能。     

伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明：伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。     

分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析

结合立轴风力机运行时叶片的非定常气动特性,对B-V、B-L和ONERA动态失速模型进行适当简化和修正,结合实验数据对比分析俯仰运动时动态失速对翼型气动特性的影响。在双盘多流管气动分析方法的基础上,结合修正的动态失速模型,对Sandia 17m风力机进行气动性能计算,比较不同模型对叶片非定常气动特性的评价结果,与实测气动载荷和功率对比表明,B-L模型整体上对立轴风力机气动性能预测较好。     

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.     

凹槽-襟翼对翼型动态失速特性影响研究

风力机复杂运行环境使叶片常处于失速环境,导致翼型升力骤降,严重影响风力机气动性能.为改善翼型流动分离,延缓失速,对凹槽-襟翼对翼型动态失速特性作用效果开展研究,并利用计算流体力学方法分析不同折合频率与翼型厚度时凹槽-襟翼对翼型气动性能的影响.结果表明:俯仰振荡过程中,凹槽-襟翼可有效提升翼型吸力面流速,降低失速攻角下逆...     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

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.     

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。     

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.     

极端阵风条件下大型风力机叶片极限载荷研究

基于修正叶素动量理论,考虑经验修正、动态失速、动态入流等因素,结合叶片气动弹性响应问题,对大型风力机叶片在极端阵风条件下的极限载荷进行研究。以某MW级水平轴风力机叶片为例,研究动态失速、阵风上升时间、变桨速率等因素对叶片极限载荷的影响。结果表明,随着叶片大型化的发展,极端阵风条件下的极限载荷问题对风电机组的整机性能有较大影响。     

不同小翼对H型垂直轴风力机叶片压力分布的影响

以翼型为NACA0012的单叶片H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟的研究方法,分析叶片两端未安装小翼和安装3种不同叶尖小翼对H型垂直轴风力机叶片表面压力分布和叶尖涡的影响。结果表明:安装小翼均可提高H型垂直轴风力机的最大转矩系数,其中安装Winglet可提高H型垂直轴风力机起动力矩;增加叶尖小翼均对消除叶尖涡有利;H型垂直轴风力机叶片两端安装Winglet小翼较其他两种小翼效果好。