基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO (model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW (National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现：LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。     

试验研究用水平轴风力机

<正> 为了获得更加正确的数据,开发了试验研究用的水平轴风力机。该机采用柔性设计,能在可变倾斜条件下对各种叶片进行试     

上游风力机倾斜尾流对下游风力机气动特性的影响

为了研究上游风力机倾斜尾流对下游风力机气动特性的影响,基于Open FOAM开源软件,使用大涡模拟和致动线相结合的数值方法。通过改变上游风力机偏航角,使其尾流发生倾斜,对2台风力机的总功率输出和下游风力机的气动特性进行研究。研究表明:随着上游风力机偏航角的增大,2台风力机的总功率先增大后减小。当偏航角为30°时,2台风力机总输出功率最大,相比上游风力机未偏航时总功率提高了23.6%;下游风力机风轮气动载荷的平均值增大,振幅先增大后减小,并且气动载荷的变化与风轮的3倍转频相关;风轮叶片不同截面处的轴向力和切向力先增大后保持不变,力的最大值对应的方位角区间在逐渐增大,最小值对应的方位角区间在逐渐减小。此结果可为探究提高风力机功率输出的方法和复杂入流条件下风力机气动特性的研究提供参考。     

流型与水平轴风力机的相关性

本文从外流空气动力学“流型”角度出发,对“流型”的定义,分类及其发展过程进行了综述,对外流领域“流型”产生和维持相对稳定的条件进行了总结和分析。由于风力机的流动特点具有外流空气动力学和内流空气动力学的特点,将流型的概念应用于风力机时,必然考虑到外流与内流的物理条件,流动条件及其对流型所产生的影响。     

阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析

水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。     

水平轴风力机载荷工况设计方法研究

风力机运行在非常复杂多变的自然条件下,不同的外部环境,对风力机各零部件受力状况的影响是不同的。为了实现载荷计算的目的,满足设计要求,水平轴风力机的载荷计算是以机组将要承受的、包含各重要条件的载荷工况来体现的。本文重点讨论载荷工况设计方法及其注意事项。     

水平轴风力机优化设计与最大性能估算

水平轴风轮优化设计的现有方法,有的忽略了叶片阻力和有限数目的影响,因而无法估算风轮的最大性能;有的虽然用迭代法考虑了这些影响,但因为需多次迭代过程,因而十分繁琐.本文推导出了水平轴风力机风轮在获得最大风能条件下的速度诱导因子、升阻比与叶尖损失因子之间的关系.由于这些关系式很明确,因而简化了优化设计最大性能的估算,即使考虑叶尖损失效应也很简便.本文对设计优化、设计步骤及一些实例进行了分析,并将本方法所得结果与其它已发表的结果及普遍接受的结果进行比较.     

剪切来流条件下风力机尾流场特性实验研究

以水平轴风力机模型为研究对象,利用一维热线测速技术,在Eiffel型风洞中研究了湍流边界层条件下风力机尾流场特性。实验结果表明,和平均速度、湍流强度等特性一样,湍流积分时间在尾流场中也出现衰减,并随风力机下游距离增加逐步恢复,在x/dT (28) 10处,约恢复至来流的70%;受边界层影响,3种流场特性在竖直平面均呈非对称分布。基于频谱分析,在尾流场不同位置,不同尺度湍流结构对流场湍动能量的贡献度分布情况不一样。在风轮区域内,尾流场中湍动能量在近流场主要受风力机旋转影响,在远流场,尺度大于风力机直径的低频微团则起到主导作用,同时,基于无量纲的斯特劳哈尔数表明,在远流场(x/dT (29) 4)存在不稳定的尾流弯曲现象。     

风力机三维卷吸尾流模型的研究与验证

一维线性卷吸尾流模型(LE,linear entrainment)基于质量守恒和动量守恒建立,这有利于提高尾流预测精度,但其假设尾流呈顶帽形状分布。采用余弦形状来修正尾流速度的径向分布,湍流强度经验公式来修正尾流模型,提出二维余弦LE尾流模型(2DCLE,two-dimensional cosine linear entrainment);然后,考虑风切变影响,将二维模型拓展到了三维模型(3DCLE,three-dimensional cosine linear entrainment)。通过风洞试验和2个外场试验案例验证三维模型的精度。研究结果显示,与传统模型相比,3DCLE模型能够更加精准地预测横向和垂向的尾流速度亏损,最大误差和最小误差均最小。     

水平轴风力机载荷丁况设计方法研究

风力机运行在非常复杂多变的自然条件下,不同的外部环境,对风力机各零部件受力状况的影响是不同的。为了实现载荷计算的目的,满足设计要求,水平轴风力机的载荷计算是以机组将要承受的、包含各重要条件的载荷工况来体现的。本文重点讨论载荷工况设计方法及其注意事项。     

基于时间推进自由尾迹法的水平轴风力机气动特性分析

建立适合于水平轴风力机气动特性分析的自由尾迹计算方法。该方法中,桨叶模型采用Weissinger-L升力面模型,转子自由尾迹的求解采用时间推进方法,数值求解方法采用4阶Adams—Moulton预估-校正算法以提高计算精度。应用所建立的方法对模型风力机处于轴向来流工况时的尾迹形状和气动特性进行计算,并与文献实验数据进行比较,验证了该方法的有效性。最后计算了来流风偏转和桨叶桨距角增加时尾迹形状的非定常畸变及气动载荷特性,得出一些有意义的结论。     

基于半经验公式的风力机尾流模型研究

以瑞典航空研究院(FFA)、东京大学及荷兰能源研究中心(ECN)的风洞实验为参照,以探究半经验公式类型的风力机尾流模型为目的,验证了Jensen模型和改进Jens-en模型。采用上述两个半经验模型,编写计算程序,然后按照上述每个风洞实验的参数,设定计算条件,计算风力机下游的无量纲风速,再分别与相应的实验值进行比较。结果表明,在各自的适用条件下,上述两个模型都能比较精确地模拟风力机尾流特性。这证明上述两模型可以用于进一步研究风力机尾流效应,以进行风电场微观选址与布局优化。     

大型水平轴风力机塔筒门洞屈曲分析研究

为了实现某大型水平轴风力机塔筒门洞的抗屈曲设计,提出综合工程算法和有限元法的屈曲分析方法。基于工程算法,分析得到塔筒薄壁圆筒截面应力和塔筒段屈曲强度值。建立了塔筒门洞的有限元模型,分析对比得到3种不同结构的一阶屈曲特征值和屈曲模态。基于有限元分析结果修正了工程算法结果,校核了某塔筒门洞段屈曲强度,并与有限元结果进行了对比,给出了抗屈曲设计结构方案。本文提出的方法在大型水平轴风力机塔筒门洞抗屈曲设计上具有可行性和有效性。     

水平轴失速并网型风力机控制要点

迭速并网型风力机是当前风力发电设备市场的主导产品,其就地控制技术对提高风电场机组运行的可靠性起到关键的作用。本文对机组不同工况下各种控制要点与技术措施进行了分析,并提出了相应的实现方法和解决方案,对其中的关键控制技术如机组发电机的并／脱网控制、自动跟风、自动起动与远程通讯等提出可行的处理。并在此基础上分析了控制系统的输入输出关系、基本任务、状态转换,从而确定控制系统的硬件结构及软件流程的设计,以便为控制器的详细设计和开发提供依据。     

水平轴风力机风轮气动性能数值模拟

以某上风向定桨水平轴风力机风轮为研究对象进行数值模拟,采用不可压N-S方程和k-?棕 SST两方程湍流模型,数值模拟了不同风速下风力机风轮的流动特性。结果表明：随着风速的增大,靠近叶片中部截面最先发生失速。在此基础上,分析了叶片整体的压力与速度分布。     

大型水平轴风力机风能利用效率的估算探讨

由于水平轴风力发电机在运行时无法获得前方来流的速度,整机的风能效率和功率计算往往采用风轮后的风速来进行,因而在计算风轮的利用效率时产生很大的偏差。本文应用动量理论,通过对DEWIND-D8水平轴风力发电机风轮利用效率进行计算,获得了水平轴风力机风能利用的实际效率值和计算效率值偏差很大,同时指出了产生计算误差的理论原因。     

水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟

针对近距离平行布置的潮流水轮机机组尾流之间水力性能的干扰问题,采用CFD方法对单个水平轴潮流水轮机叶轮模型和(两轴间距为1.8倍叶轮直径的)平行布置双转子水轮机模型在额定流速条件下实施了三维数值仿真。计算结果显示,无导流罩的单机组,其水轮机尾流场中距离叶轮下游边缘1D(D为叶轮直径)以内的流场域流速有显著的变化,位于该区域下游的流速与外围流速几乎相等,流场相对稳定;对于加装导流罩的双转子水轮机组,其双叶轮后的两个尾流场交互影响作用明显,叶轮上、下游流速差异大,左、右叶轮的能量利用率较未加装导流罩的单个叶轮水轮机有大幅提高。样机物理模型试验结果进一步验证了数值仿真方法有效性。     

水平轴风力机气动力学与气动弹性力学的某些问题

随着水平轴风力机功率水平的提高,对风力机整体性能的要求越来越高,对影响风力机整体性能的气动力学与结构完整性问题的研究能进一步揭示影响风力机气动性能的物理因素,对于风力机性能的优化设计和安全运行具有重要的意义。本文对水平轴风力机所涉及的气动力学与气动弹性力学的某些问题进行了综述,重点分析了影响水平轴风力机气动稳定性的物理因素,对于建立水平轴风力机气动弹性稳定性的物理模型和数学模型具有重要的意义。