偏航对水平轴风力机尾迹的影响

文章采用数值模拟结合理论分析的方法,对在偏航工况下额定功率为300 W的S翼型水平轴风力机进行计算和分析。首先进行网格无关性验证,在此基础上对4个偏航工况进行数值模拟,对比分析了风轮后不同截面上的尾迹速度和尾迹偏转角。结果表明,偏航导致尾迹中心产生一定程度的偏斜,尾迹形状卷曲不对称,风力机尾迹缩短;随着偏航角的增大,尾迹偏转角增大;随着传播距离的增加,偏转程度逐渐减小,风轮上、下侧尾迹偏转差别很大。     

基于致动线方法的风力机组尾迹控制策略研究

为提高风场总功率,减小上游风力机尾迹的影响,以实现风场全局优化的思想,利用致动线(ALM)方法,基于开源软件OpenFOAM对9种偏航工况、15种风轮俯仰工况及9种风场错列布置进行数值模拟。对比不同尾迹控制策略下的风场总功率输出,并结合流场云图分析尾迹对风力机性能影响的流动机理。结果表明:3种尾迹控制方法均可减弱上游风力机尾迹对下游风力机气动性能的影响,且偏航尾迹控制方法略优于风轮俯仰,风场错列显著优于偏航,其中偏航、风轮俯仰及风场错列分别可提高无尾迹控制策略时风场总功率的35.3%、34.5%和68.5%。     

偏航流动对水平轴风力机声辐射影响研究

风力机处于复杂多变的自然风条件下,经常处于偏航状态。文章运用分离涡方法(DES)寻找偏航流动对水平轴风力机声辐射的影响。结果表明:随偏航角度的增加,风轮输出功率减小;垂直风轮旋转面和平行来流方向的测试线上,总声压级都随着远离风轮旋转面逐渐衰减,且随着偏航角的增大,平行来流方向测试线上的声压级降低较快;在不偏航流动下平行于风轮旋转面的声压级,沿旋转方向基本相同,在偏航流动下,随偏航角度的增大而降低;平行于入口面上距离声源面近的一侧声压级较大,且随偏航角的增加逐渐升高;叶尖处声压级最大,中心轴上最小。DES方法用于风力机声辐射的模拟研究是可行的,对风力机气动噪声研究具有一定的参考价值。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下，受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明：随着偏航角的增加，输出功率以二阶余弦函数下降，推力以一阶余弦函数下降；动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°～22°的相移；法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关，三倍频分量与偏航无相关性；其中，风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。     

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。     

偏航尾迹特性及对下游风力机的影响研究

通过非定常CFD方法模拟在大气边界层影响下2台串列布置的全尺寸5 MW风力机组,研究使用尾迹的偏移效应及其对下游风力机的影响。结果表明:上游风力机偏航30°可有效提高风场全局发电量;速度场分析显示偏航风力机的尾迹在传播过程中逐渐扭曲,尽管尾迹中心偏移距离与经验模型吻合,但功率曲线表明该尾迹经验模型或低估了偏航尾迹对下游风力机的影响。     

水平轴风力机尾迹三维流场的热线测量

利用单斜丝热线旋转进行水平轴风力机模型的尾迹流场测量。热线测量过程中采用了周期性采样和锁相平均技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,并利用自行编制的MATLAB程序求出尾迹流场的三维平均速度。试验结果表明：采用旋转单斜丝热线结合周期性多点采样技术构成的热线测量系统,能够获得风轮流场速度分布等准确的定量信息,是一种比较有效的风力机三维流场动态测试方法。风轮下游的尾迹区内存在速度亏损,速度亏损随着风轮下游轴向位置的增加而减弱。风轮下游4倍弦长外,尾迹区的速度就已经基本恢复到主流速度。在气流向下游流动的过程中尾迹的轴向速度亏损形成的波谷曲线渐趋平缓,尾迹区的宽度不断扩大,2倍弦长以后尾迹宽度基本不再扩大,并逐渐与主流掺混融合。     

水平轴风力机组尾迹偏移控制策略研究

风场上游风力机的尾迹不仅导致下游风力机功率显著降低,且易引起疲劳载荷等结构问题。故通过CFD模拟两台5 MW风力机串列布置的风场,在考虑大气边界层环境的情况下,使用不同控制方法改变尾迹流向,使其偏离下游风力机风轮中心位置以提高风场总输出功率。结果表明:对上游风力机使用基于偏航和仰角的控制策略时尾迹偏移效果显著,尽管上游风力机的功率有所降低,但下游风力机输出功率增加,使得风场输出总功率得以提高;锥角控制的效果相反,增大锥角时尾迹并未产生明显的偏移而尾迹范围却扩大,导致风场总输出功率降低。     

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.