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。     

风力机扩散放大器数值模拟与理论计算的对比

根据风力机原理和粘性流体力学理论，应用fluent软件建立二维简化风力机扩散放大器模型，并进行了数值模拟和理论计算；分析比较了几个典型的性能曲线，进一步探讨了模型内的流动特点；该研究对于提高风能利用效率及风能利用技术推广具有一定的指导意义。     

风力机尾流相互干扰的数值模拟

结合制动盘理论与CFD方法,采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布,考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象,利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘,采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布,反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明,制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟,可为风电场微观选址和风力机排布提供参考,且计算量远小于完全数值模拟方法。     

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κ -ω SSTN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。     

水平轴风力机近尾迹流场数值模拟

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,对风轮的近尾迹流场进行了数值模拟,获得了风轮近尾迹流场的速度分布特点、尾迹的流动发展规律等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了参考依据。     

风力机叶片预弯技术的数值模拟

对MATLAB编程得到的1.2MW风力机组叶片采用预弯处理,分别建立未预弯,预弯0.3、0.6及0.9m4种预弯尺寸的叶片并对其采用SST k-ω湍流模型进行数值研究.对模拟结果进行比较分析,得到了预弯尺寸对风力机性能的影响及合理的预弯尺寸.结果表明:未预弯时风力机的输出功率大于设计功率,相对误差为2.48％;预弯0.9m时输出功率小于设计功率,相对误差为3.9％;预弯0.6m时输出功率相对设计功率的误差为0.0006％,风力机的输出功率表现出随叶片预弯尺寸增大而减小的特性,并呈非线性特征.     

垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

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．     

驱动热泵的垂直轴风力机风轮气动特性数值分析

根据风能热泵系统的工作环境及匹配特性,针对给定供热面积的系统各参数选取方法以及垂直轴风力机风轮设计进行了探讨,在此基础上初步完成了额定功率为300 W的风轮设计,并利用二维数值模拟方法对不同叶尖速比下的性能曲线进行计算,分析得到了额定风速9.00 m/s时,驱动压缩机的最佳风轮转速为350~375r/min。结果表明,300 W垂直轴风力机的输出特性可满足风能热泵机组的工作要求,该数值分析结果可为风能供热技术的应用示范提供理论支撑。     

俯仰策略对两台串列风力机功率输出影响研究

为增加风电场总输出功率,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法,采用致动线(Actuator Line,AL)技术,通过swak4Foam产生指数率风剪切,利用OpenFOAM对两台串列布置的5 MW风力机风电场进行不同叶轮俯仰数值模拟,对比各工况下风电场总输出功率,并结合流场分布云图分析总输出功率存在差别的内在原因。结果表明：风电场上游风力机尾迹会严重减弱下游风力机性能;俯仰策略可有效提升风电场总输出功率;俯仰角从0°增大/减小到±35°过程中,呈现出上游风力机功率先增后减、下游风力机功率持续增加的规律,风电场总输出功率升至极大值后开始下降;正俯仰角时风电场总输出功率较负俯仰角时的总输出功率更高。     

基于MATLAB的并网风电场动态仿真

以并网型风电场为研究对象,建立了异步风力发电系统的动态数学模型,包括风速、风力机、异步发电机以及补偿电容器4部分,其中异步发电机采用三阶模型.利用MATLAB/Simulink建立了仿真系统模型,详细论述了仿真的方法和过程,并对风电场接入电力系统进行了动态稳定分析,验证了采用S函数和Simulink相结合的方法可以有效进行电力系统的分析与计算.同时对如何提高风电系统短路故障后的动态稳定性进行了研究,提出了采用x/r较小的联络线或适当提高电容器的补偿量都有助于提高短路故障后风电系统稳定性的改善措施.     

大型风电场尾流效应的耦合求解方法

针对大型风电场尾流评估问题,考虑大气边界层垂向动量输运和风电场内流动不均匀性,提出一种基于传统尾流模型和风电场边界层模型的耦合求解方法。采用Horns Rev风电场和青海锡铁山矿区风电场群实测数据对所提出的耦合方法进行验证,结果显示该方法可较为准确的评估大型风电场的场内、场间尾流效应,对大型风电场和集群化风电场开发具有重要理论和工程应用价值。     

风电场风电机组机载风速仪状态自确认

以风电机组机载风速仪为例,提出一种传感器状态自确认方法。利用多台风电机组风速的相关性,通过动态时间规整算法,选定一组风电机组群。构建基于自联想神经网络的风电机组群风速仪预测模型,采用历史正常数据通过麻雀搜寻优化算法对模型进行训练,根据实际值与预测值的关系对风速仪状态进行识别。通过仿真实验证明该方法可识别风速仪模拟异常状态,最后对某风场实际风速进行检测,结果显示能有效识别出风速仪的状态,实现风电机组风速仪状态的自确认。     

风剪切下风力机组俯仰控制策略研究

为增加风电场总输出功率,采用大涡模拟(LES)方法,利用致动线法(ALM),基于开源CFD软件OpenFOAM对风剪切下的风力机组4种风轮俯仰工况进行数值模拟,对比每种工况下的风电场总输出功率,并结合流场参数分析输出功率存在差别的内在原因.结果表明:风电场上游风力机尾迹可对下游风力机性能产生严重影响;风轮俯仰角增加时,...     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

前缘结节对风力机气动性能影响的数值研究

基于座头鲸的鱼鳍前缘结节的流动特性,开展前缘结节对改造的Phase Ⅵ仿生风力机叶片性能及流动特性影响的数值研究。结果表明：在设计工况下（V_∞=10 m/s）,结节放置在叶片展向81%位置时,叶片根部的回流区域消除,但结节处的旋涡扰动会破坏叶片稳定流动,使叶片性能相对较低。在高风速下（V_∞=15、20、25 m/s）,由于前缘结节的结构特征,叶片表面产生旋涡,发生阻塞作用,叶片吸力侧压力减小,叶片正背面压差增大,升力增大,进而使仿生叶片的性能得到提升。     

不同类型漂浮式风电场内机组塔基载荷研究

构建基于NREL 5 MW 风电机组的海上固定式风电场和不同类型的漂浮式风电场,考虑不同类型风电机组尾流特性、平台漂浮特性的差异,在不同工况下对风电场内机组动力学响应进行仿真计算。通过时域分析与箱线图分析,对风电场内各位置处机组在风、浪、尾流联合作用下的塔基载荷进行对比研究。结果表明：在相同工况下,Spar式风电场内机组风轮与平台位移值、塔基载荷在来流方向上最大;在中低风速下,风电场内机组塔基载荷相差较大;高风速时,塔基载荷相近;随着风速的增大,漂浮式机组塔基载荷呈先增大后减小的规律。     

基于风电机组可靠性的风电场平准化成本模型研究

考虑综合风电场总体运行成本、风电机组可靠性及风电场发电量等多个维度,从风电场全生命周期视角出发,建立基于风电机组可靠性的风电场平准化成本模型,并通过算例分析得出,提升风电机组可靠性可降低风电机组的故障维护成本,提高风电场运行小时数,进而降低风电场平准化成本。在此基础上测算当前阶段风电实现平价上网需达到的利用小时数,最后给出促进风电发展的合理化建议。     

风浪激励下的海上风力机振动控制

该文建立考虑桩-土耦合作用的单桩式海上风力机整机多体动力学模型,结合水动力和空气动力,借助Matlab/Simulink搭建风力机的联合仿真模型。对安装于机舱内的单调谐质量阻尼器（STMD）和多重调谐质量阻尼器（MTMD）系统进行设计,并在运行工况和泊机工况下进行仿真分析。研究表明,相比于正常运行工况,泊机工况下的调谐质量阻尼器（TMD）振动抑制性能更优,对塔基前后弯矩标准偏差有着最优的控制效果,且MTMD系统中TMD的数量与系统振动抑制性能存在非线性关系。     

风力机风场模型的研究及紊流风场的MATLAB数值模拟

讨论了风剪、塔影和尾流对风场平均速度的影响,介绍了随机理论中离散随机序列与其功率谱、傅立叶谱的关系,研究了紊流风场模型中常用的几种典型的速度功率谱密度模型如Harris速度谱、Kaimal速度谱、Von Karman速度谱等模型。根据随机理论,确定利用速度谱求风速的紊流部分的算法,并用MATLAB编程实现了风力机紊流风场的数值模拟。