大尺度风轮高精度CFD缩比模型构建及其分析

针对大功率风电机组气动分析过程中叶素动量（BEM）理论计算精度不高、三维计算流体力学（CFD）仿真分析计算时间长的问题，以某5 MW风电叶片翼型数据为参考，分析不同风轮尺度下BEM与CFD的计算精度和效率；基于几何相似、运动相似和动力相似理论，推导缩比模型与原型之间的几何、运动、力学参数的比例关系，比较不同几何比例尺下风电叶片的气动性能；以几何比例尺为参考，建立大尺度风轮高精度缩比模型，分析多种工况下缩比模型CFD仿真的计算精度与效率。研究结果表明：风轮尺度越大，CFD与BEM分析的结果相对差值越大，多种工况下大尺度风轮缩比模型气动性能基本与原型保持一致，但计算效率获得大幅提升。     

基于BEM与CFD数值模拟的风力机叶片气动性能分析

为阐明转子叶尖损失效应以及动态失速效应对风力机气动性能预测的影响,文章采用计算流体力学(CFD)以及叶素动量理论(BEM)两种方法分析预测了不同风场条件下的叶片气动性能,研究了三维旋转效应下叶片表面的非定常气动特性。结果表明:在离心力和科氏力作用下,叶片吸力面发生流动分离,随着风速的增加,失速区域逐渐增大;叶片翼型截面前缘吸力侧受风速影响较大;在非定常来流条件下,叶尖部位尤其是前缘对来流敏感程度较高。通过不同叶尖损失校正模型对叶片载荷的预测结果对比可以看出,针对BEM进行的叶根叶尖修正计算结果更接近于CFD模拟结果,但是,在叶根和叶尖部位仍存在一定偏差。     

风力机叶片翼型气动性能设计计算方法的分析与研究

基于翼型理论和线性动量理论对叶片翼型截面升力公式的计算,导出对非设计工况来流角计算的迭代式.应用牛顿-拉普森迭代法对来流角进行计算,根据结果再计算叶片截面的升力、推力、切向力、功率等气动参数.提出一种风力机叶片翼型气动性能的计算和校核设计方法.     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

水平轴风力机失速模型及对比验证

风力机叶片旋转产生的失速延迟效应使建立在二维流动假设基础上的动量-叶素理论（BEM）不再适用,因此需要对BEM进行修正。目前最常用的Du＆Selig模型、Chaviaropoulos ＆ Hansen模型和Snel模型对失速延迟区域的升力系数和阻力系数进行了修正。运用上述三种失速模型对UAE Phase Ⅵ风力机进行气动性能计算,将计算结果与NASA-Ames风洞实验数据进行对比,验证各失速模型的优缺点及适用范围。     

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。     

风力机弧形叶片参数化及气弹特性分析研究北大核心CSCD

为了满足自适应叶片的发展,文章提出了一种弧形叶片的参数化方法。该方法基于微分几何曲线理论,结合Bézier曲线和直叶片的参数化方法,达到了由控制点来控制弧形叶片几何外形的目的。基于弧形叶片的特点,将二维叶素理论转换到弧形叶片的截面上,并进行气动载荷计算,从而改进了叶素动量理论(BEM)。以NREL5MW风力机叶片为基准叶片,通过控制空间参考线控制向量可以得到具有预弯/扫掠特性的弧形叶片。结合改进的BEM理论和气动弹性理论,研究了该弧形叶片与参考叶片的气弹特性。研究结果表明:相比常规叶片,具有预弯/扫掠特性的弧形叶片能够有效地降低叶片的疲劳载荷和变桨载荷。该结果为设计具有减载功能的自适应叶片提供了一种可行的思路。     

浮式风力机模型试验叶片气动力性能计算与优化

以美国可再生能源试验室公开的5 MW风力机(NREL-5MW)为原型,试验模型几何缩尺比为1∶50,使用动量叶素理论(BEM理论)计算叶片风轮推力。为改善模型试验叶片的尺度效应,变化模型叶切面的翼型和分布,对风轮推力进行计算和分析。以此为基础,选取叶切面的弦长和转角作为优化变量,以风轮推力为优化目标,建立优化数学模型,使用模矢搜索法和罚函数法求解,得到能较准确模拟风轮推力的试验用叶片。     

大型风力机叶片净空计算方法研究

风力机容量增长伴随着叶片尺寸和柔性不断增大,易引起叶片扫塔。以108 m长叶片为研究对象,对比了叶片气动载荷和结构响应多种计算方法,研究了叶片净空距离的影响因素。基于叶素动量理论BEM和计算流体力学CFD计算叶片载荷,同时采用多体动力学MED和梁有限元两种方法计算叶片的受载变形。结果表明,采用叶素动量理论BEM计算的叶片中段载荷比采用计算流体力学CFD值更大,且载荷整体分布更均匀,多体动力学MED比1D梁单元法模态分析结果更准确,但两者计算的叶片变形程度相当。叶片变形与载荷呈单调递增正比关系,随刚度增加呈减小趋势,因此,工程使用BEM方法结合多体动力学方法可用于大型叶片净空计算,计算值相对保守。     

基于叶素理论风轮气动性能计算预测精度研究

为研究壁面处网格正交性对数值计算结果的影响,推导出壁面附近流动参数一阶导数离散误差与网格线交角的数学关系,采用N-S方程方法分别对多种壁面处网格线交角的平板紊流附面层流动和翼型绕流进行计算分析。研究表明:壁面处网格正交性对附面层内速度分布计算预测精度和壁面摩擦阻力影响较大。对于基于叶素理论三维风轮气动性能计算,通过一模型风轮计算实例表明:在低叶尖速比时翼型升力系数计算精度对风轮性能预测精度影响较大,高叶尖速比时翼型阻力系数计算精度对风轮性能预测精度影响较大。     

基于动量叶素理论改进的叶片气动特性计算方法

为实现快速计算叶片给定运行攻角所需要的桨距角,提出了一种基于动量叶素理论改进的叶片气动特性计算方法,该方法的优势为在迭代计算轴向诱导因子与切向诱导因子过程中减少了查询翼型气动特性的次数。改进的动量叶素理论计算方法比经典动量叶素理论计算方法,能够快速计算实现叶片运行攻角所需要的桨距角。利用该方法对叶片气动特性进行的计算结果与GH Bladed软件的计算结果十分接近,且提高了计算速度。     

小型风力提水机的低实度风轮设计及其数值模拟

针对传统风力提水机实度大、风能利用率低的缺点,采用NACA4412航空翼型及叶素动量理论对小型风力提水机叶片的气动外形进行设计,采用6叶片风轮形式,引入修正因子,并根据工程实际优化了叶片的弦长及安装角,并采用CFD方法对风轮进行数值模拟。结果表明,设计的风力提水机在2.8 m/s的微风下可起动,在额定工况下风能利用系数达0.43,叶片具有很好的三维流动特性,风能利用系数高,降低了传统风力提水机风轮的实度,扩大了风能的利用范围。研究结果对风力提水机的改进设计有指导意义。     

非定常条件下风力机柔性叶片气弹耦合分析

研究叶片振动与扭转变形对气动载荷的反馈以及基于静、动态气动模型的叶根载荷的差异。应用计算多体动力学理论和叶片气动模型,建立受约束的柔性叶片非线性气弹耦合方程,得出叶片气弹耦合时域响应。以某5 MW风力机叶片为研究对象,研究柔性叶片的振动和变形对叶根力矩的反馈;在修正的叶素动量理论(BEM)基础上,引入Beddoes-Lesihman动态失速模型,考察叶片气动载荷的非定常效应。分析表明,随着叶片柔性增加,气弹耦合现象愈加明显;动态失速将引起叶片载荷有较大的振荡幅值和频率,影响叶片疲劳载荷谱的分析和疲劳寿命的设计。     

基于升力线理论的大型风力机气弹响应研究

针对风力机不断向大型化发展的趋势,导致结构柔度增加,气弹耦合特性和振动增强,研究了大型风力机高效精确的气弹响应分析方法。为了更准确模拟大型风力机气流沿叶片展向的三维流动现象,采用螺旋尾涡升力线模型代替传统叶素动量理论,建立了叶片气动载荷分析模型,进而结合风力机多体系统动力学模型,构建了机组的气弹耦合动力学方程和数值求解方法。以某10 MW风力机叶片为例,研究了稳态风况下不同风速的叶片气动性能,以及有效攻角、切向力等沿叶展方向的分布特点,并与采用修正叶素动量理论的气弹分析程序（HAWC）对比,结果表明,升力线理论无需引入经验修正模型即能获得叶素动量理论经修正后的分析精度。最后,通过非稳态风况下风力机的气弹响应分析,证明本文方法对大型风力机气弹耦合分析的有效性和准确性。     

雷诺数修正的潮流能水轮机水动力特性算法完善

为提高潮流能水轮机的能量转换效率,该文基于叶素动量定理(BEM),采用Goldstein叶尖损失修正因子,引入叶片局部雷诺数变量,系统分析该变量对二维水翼动力学参数的影响,并对经典的BEM方法中叶素升力系数以及阻力系数的计算进行修正,提出BEM修正算法——RE_BEM算法,并将改进的算法的计算结果与拖曳水洞实验进行对比验证。研究结果表明,在不同的叶尖速度比(TSR)下,潮流能水轮机的能量系数以及轴向力系数预测准确性得到提高。与未考虑局部雷诺数BEM理论软件计算结果,考虑局部雷诺数的影响后,在TSR为9和10时,其能量系数计算的结果误差由原来的12%和32%降低到3%和8%。     

风力机翼型大迎角气动性能评估方法

风力机叶片翼型的气动数据是风力机叶片设计和性能评估的基础,全迎角范围的翼型气动数据有助于准确预测风力机的功率以及极限气动载荷。分析了风洞实验、CFD方法获取翼型气动数据的优缺点,着重阐述了基于实验数据建立的半经验公式-Viterna模型。提出了一种结合CFD与Viterna模型快速评估翼型全迎角范围气动性能的方法,另外为了提高预测风力机输出功率的准确性,利用前面的方法获得的翼型气动数据与叶素理论计算风力机功率时,要考虑尖端损失与桨毂损失。     

基于叶素-动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析

运用简化风车理论对水轮机叶片进行设计,基于叶素-动量(BEM)理论,采用Glauert修正,计算水轮机在不同工况下功率、转矩等水动力性能,得到不同工况下水轮机性能曲线;在风浪流水槽中进行模型试验,对叶素动量理论计算结果进行验证,为水轮机性能分析提供理论支持。     

风力机叶片高升力系数法的气动设计研究

在动量-叶素理论和Betz理论的基础上,结合PROPID软件进行功率为1.5 MW水平轴风力机叶片的气动设计研究。叶片气动设计采用高升力系数法,叶片剖面采用NPU-WA系列高升力、高升阻比风力机专用翼型,在叶片性能预测中采用叶尖损失、轮毂损失和Viterna失速模型。设计结果表明采用先进风力机翼型并运用高升力系数法设计的大功率风力机叶片的弦长较小,叶片面积较小,有利于减轻叶片的重量,同时降低制造成本。     

风力透平塔架干涉非定常数值研究

为研究风力透平中塔架对于整体气动参数的影响,根据动量叶素理论(BEM)将风力透平的整机简化为叶片切片段和塔架切片段的圆环状模型,使用CFD软件Fluent进行三维流场的数值模拟计算,进行定量的分析,并与已获得的风洞试验数据进行比较.经过定常的流动计算,表明该模型计算得到的结果与实验结果吻合较好,验证了计算模型的准确性与可行性.采用滑移网格技术进行非定常计算,结果表明,叶片段扫过塔架时叶片段截面上的法向力系数CN、切向力系数CT,及俯仰力矩系数CM进入干涉区后先是降低,并且在180°方位角稍靠后的位置达到最小值,随后逐渐上升直至离开干涉区.     

基于并行遗传算法的低风速高性能风力机叶片优化设计

根据美国可再生能源实验室提出的适用于低风速的翼型S822、S823建立初始叶片,并采用遗传算法在基于叶素-动量理论计算结果的基础上对叶片的弦长和安装角进行优化,最后采用CFD方法对设计点进行深入计算分析验证.数值研究结果证明,采用这种方法设计的风力机叶片在低风速下具备较好的气动性能.