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。     

不同湍流模型对水平轴风力机三维粘性气流特性的影响

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐渐发展,且由于三维旋转效应使得展向流动逐渐增强。和相关实验结果比较,选择不同的湍流模型对数值模拟结果有明显影响,其中RNG k-ε和SST k-ω两种模型可以获得较好的压力分布计算精度。综合考虑压力分布、功率系数和推力系数在不同工况下与实验结果的比较,选择SST k-ω湍流模型较适合模拟该水平轴风力机周围复杂的三维湍流流动。     

用CFD方法模拟计算风力机尾流的研究

根据计算流体力学的原理和数值计算的方法,将研究区域划分为非结构网格,通过设置合理的边界条件,采用湍流模型模拟了不同间距的风力机尾流流场,对不同尾流流场的压力、速度和涡量的分布进行了分析,从而确定了在风力强度及风向相同的情况下,不同风力机间距的尾流特点。     

风向变化对风力机尾流影响的数值分析

为了探究风向变化对风力机尾流的影响,选取NREL 5MW风力机建立模型,采用Fluent软件在额定工况下对单台风力机及风向变化时的2台风力机进行数值模拟,并对比其输出功率及尾流的流动情况.结果表明:当风向变化角为0°,即串列排布时,上游风力机对下游风力机的影响很大;随着风向变化角由5°增大到10°,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减小,下游风力机的功率减小率由7.53%减小到4.24%,输出功率明显增加,可见风向变化对风力机尾流有影响.     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

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.     

风力机大厚度钝尾缘翼型数值模拟研究

以具有实验数据的风力机专用翼型DU97-W-300、DU00-W2-401为对象,研究了湍流模型和网格分布对RANS预测气动性能的影响,并在多个攻角下对比了DES与RANS的计算效果.结果表明:在翼型升力曲线的线性段,考虑转捩的T-SST模型计算值与实验值更加吻合,但在升力曲线的失速段,全湍流模型计算结果优于T-SST湍流模型,且全湍流模型中SA优于SST湍流模型;相比RANS方法,DES方法计算得到的翼型升阻力系数更加接近实验值,DES方法能更好地模拟细致的分离涡结构,所以DES方法更加适合模拟易发生分离的大厚度翼型.     

风电场中多台风力机的数值模拟

将NREL5MW风力机作为基本机型,使用致动线模型和大涡模拟相结合的数值方法,在中性大气边界层中模拟含有多台风力机的风电场.为了模拟风电场的复杂入流条件,首先模拟体积为3000 m(长)×3000 m(宽)×1000m(高)的大气边界层,并对模拟结果进行验证,结果表明:在覆盖逆温层以下,不同高度处的位温不变,平均风速满...     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。     

内燃机缸内湍流运动数值模拟研究

本采用ｋ－ε双方程湍流模型，正交贴体曲线网格，对内燃机气缸内空气湍流运动进行三维数值模拟，采用ＲＥＺＯＮＥ技术解决了进气阀与燃烧室凹坑不同偏置问题，与此同时，对缸内流场进行了ＬＤＶ测量，并将测量结果与计算值进行比较，二吻合良好，从而证明了本所开发的软件和选用的模型是可靠的。     

1.5MW风力机整机定常及非定常数值模拟

本文运用计算流体力学方法,以1.5 MW风力机为例,对风力机整机三维模型的空气动力学特性开展研究。针对三翼型风力机叶片,利用改进的Wilson方法进行气动设计,并通过寻找各截面最佳雷诺数的方法进行优化修正。建立了整机三维模型,设计流域并划分网格,定义边界及区域。最后对上述模型进行额定工况下定常与非定常数值模拟,利用模拟结果开展有关压力、失速特性等空气动力学特性的分析。结果表明：非定常模拟在风轮背面上的平均压力比定常小,使风轮前后压差变大,输出功率加大,其主要原因是叶尖出力的增加;旋转使得风力机叶片发生流体分离延迟,且产生更高的升力系数。     

风电场运行对局地边界层气象因素影响

以5 MW风力机组成的风电场为研究对象,采用湍流理论和大气流动特征,分析不同下垫面情况下风电场运行时局地边界层气象因素的变化过程,利用UDF函数编译风电场入口边界条件及不同的地表粗糙度,并利用风洞试验验证模型计算的正确性。研究表明,风电场的存在会减小边界层大气能量并增加湍流动能,具体结果表明:风电场下游风速减小,且风速随着地表粗糙度的增大逐渐降低,速度恢复率逐渐降低;湍动能随着地表粗糙度的增大空间非均匀分布特性更加明显;温度沿垂直方向略微降低,且随着地表粗糙度的增大影响程度加深;同时随着风电场装机规模的不断扩大,其影响范围及程度也增大。     

浮力对湍流旋流火焰影响的数值模拟

采用浮力修正的k-ε湍流模型和涡团耗散（EDC）湍流燃烧模型,对旋流燃烧室内具有不同初始切向动量或旋流数的受浮力作用的甲烷湍流火焰进行了数值模拟,得到三组工况下的气体温度场、组分体积分数场、速度场和湍流脉动特性的分布,并与试验测量数据进行了比较.结果表明：浮力对初始切向动量或旋流数较高的湍流火焰有更强的影响.     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

不同强度湍流风对风力机气动载荷的影响

湍流强度是影响风力机载荷的重要因素之一。基于OpenFAST软件对NREL-5 MW风力机进行了不同强度湍流风为入流条件下的数值计算,利用Turbsim软件生成的5%、10%、15%和20%这4种湍流强度的湍流风作为入流条件,探究了不同湍流强度对风力机叶根处的剪切力和弯矩的影响,并分析了不同湍流强度下风力机叶片整体的载荷分布情况。结果表明：随着湍流强度的增加,风力机的气动载荷和气动功率波动幅值相应出现规律性的增加,但大体变化趋势不变。10%、15%和20%湍流强度下的气动功率标准差比5%湍流强度下的分别高出87%、163%和243%,摆振弯矩标准差比5%湍流强度下的分别高出30%、64%和95%;叶片上的弯矩载荷从叶根向叶尖方向逐渐减小,且随着湍流强度的增加,叶片上的弯矩标准差值也随之增加,在叶根处差别最大,从叶根向叶尖方向逐渐减小,到叶尖处完全重合。且10%、15%和20%湍流强度下的叶根处第一个节点位置的挥舞弯矩比5%湍流强度下的摆振弯矩分别高出44.94%、93.1%和137%。湍流强度的增加对叶片的摆振弯矩影响最大。     

一种离心力修正的湍流模型及其在数值模拟中的应用

通过分析强旋流场中离心力的作用，提出了考虑湍流脉动中离心力作功的湍流模型(k-ε-cf模型)。模型的特征参数根据大涡参数和小涡参数的几何平均得到，其中旋涡的频率与热线测量实验结果一致。运用k-ε-cf模型对一同轴旋转分层流燃烧器空气动力场进行了数值模拟，计算结果与实验数据吻合良好，比标准k-ε模型结果有较大改进。图4参4     

不同温度层结下风力机对大气边界层的影响

风电场的数量和规模对大气边界层的气象特性具有不可忽略的影响,作为重要的气象参数,温度层结是影响大气流动及污染物扩散的重要因素之一。文章通过建立风力机及周围流场模型,采用非稳态大涡模拟方法结合大气湍流理论,引入UDF函数对Fluent软件进行了二次开发,加载大气边界层风速廓线,对风力机在不同温度层结条件下对底层边界层区域特性进行对比。研究发现,在不同层结下温度的变化不同:风力机运行在稳定层结时,风力机近尾流区域的温度较周围区域有所升高,在50 m高度处温差达到最大,数值为0.465K;而不稳定层结的情况却是相反,在风力机近尾流区域的温度较周围的区域有所降低,但整体温度变化没有稳定层结时明显,最大温差为0.281 K。     

高速强湍流风况下的风力机结构动力学响应

为研究大型风力机在高速强湍流风况下的结构动力学特性,基于NWTCUP风谱模型建立平均风速为25m/s的极限湍流三维风场,比例缩放Kelvin-Helmholtz不稳定流的数值模拟结果作为相干结构,将其加入普通湍流风场表示湍流度更强的风况,在FAST软件中分别计算加入相干结构前、后风力机的动力学特性,并仿真偏航30°、紧急顺桨停机和一直顺桨停机3种偏工况,得到各个工况下叶片和塔架载荷的动态响应.结果表明:加入相干结构后,风速在空间及时域的变化均更加剧烈,相干湍动能更大,可表示湍流强度更高的风况;加入相干结构后,风力机动力学响应加剧,其中塔基弯矩影响最大,响应幅值波动变化范围增大了1.96倍;叶片载荷主要刺激频率为风轮旋转频率,塔架响应为塔架一阶侧向振动频率;相干结构对偏工况的影响较大,在偏航和紧急停机等非稳定运行过程中,塔尖弯矩非平稳过程明显.     

基于两方程湍流模型的均匀流中湍流动能衰减规律研究

通过理论推导和数值模拟,从湍流模型封闭系数的确定过程、输运方程扩散项的影响因素、入口边界条件和网格尺度等方面分析标准k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω湍流模型在计算均匀来流时湍流动能的衰减规律及其本质物理区别;通过数值模拟分析中性大气条件下湍流动能的衰减规律.结果表明,在均匀流中,采用标准k-ε湍流模型,入口湍...     

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。