山区湍流特征及其对风力机功率的影响

为研究山地地形大气湍流关键特征参数的变化规律及其对风力机功率的影响,以云南某山地风电场山脊处一大型风力发电机组为研究对象,采用遥感技术研究风力机来流的风速、风向、湍流强度、湍动能和湍流耗散率的分布特征,并分析上述参数对机组功率的影响。结果表明：山地地形中来流参数昼夜特征明显;在垂直于来流方向,地形的影响区域集中在距离地面79 m的范围内,湍动能与湍流耗散率在垂直方向成反比;风速与湍流耗散率具有良好的正相关性;来流特征参数在不同风速区间对风力机功率的影响存在较大差异,湍动能对风力机功率的影响程度最低,为1.49%,但湍流强度对风力机功率的影响程度高达4%。     

安中大楼风环境模拟及风能利用

介绍建筑环境中的风能利用基本形式及风能利用可行性评价指标.针对安中大楼所处的特定位置,运用计算流体力学方法对周围的风环境进行数值模拟|对可能利用风能的位置即风速明显增大区域,如夹道、洞口及屋顶处进行详细的分析,利用风速增大系数指标评价风能利用的可行性,对合理布置风力机提出建议.研究结果表明：在夹道处、大楼边角处风速加大,可以安装小型风力发电机,综合考虑经济性和有效性,可以沿塔架高度布置多台水平轴风力机|建筑物开洞区域的风速增大,风向平行于洞口径深时效果显著,适合在洞口前沿布置水平轴风力机|安中大楼屋顶风速较大,集结效果明显,可以根据屋顶尺寸安装多排风力机.     

风力机尾流场的实验研究

为了获得风力机的尾流场信息,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据,利用轴流式风机提供来流风速,使用皮托管和手持风速仪对无风力机情况和单个小型风力机的尾流场进行测量,获得尾流区域的速度场、压力场以及诱导速度场的分布规律.结果表明：对于无风力机的情况,在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小;对于有风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小;对于不同测量断面,随着测量间距的增加,在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增加呈下降趋势,而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

基于Davenport谱风机叶片旋转状态下的应力分析

为了确保风力机叶片安全可靠运行,对其进行了旋转工况下的应力分析.以UG建立的叶片实体模型为研究对象,运用更加贴近实际工况的Davenport风谱建立了近海风场,利用Newmark法求解了结构运动方程,并在与文献试验结果对比的基础上,数值模拟了叶片应力分布.研究结果表明,风力机叶片的位移响应与应力响应幅值均随来流风速的增加而增加,旋转速度和来流风速均对叶片在相对弦长和相对翼展方向上的最大mises应力变化趋势有明显影响,该结果可以为风力机叶片优化设计提供参考.     

风力机风轮设计中风速的处理

风力发电是风能利用的最好形式.随着单机容量的不断增大，风力机的整体尺寸也越来越大，包括塔架高度.一般情况下，无穷远来流风速随高度的增加而逐渐增大.所以在设计大功率水平轴风力机风轮时，风轮设计者是否要考虑无穷远来流风速在铅垂高度等于直径的范围内的速度梯度将是一个值得注意的问题.为准确计算风轮的气动特性，就必须针对这一速度变化范围用合理的方法给定设计风速.分析并证明了用风轮中心处的速度作为设计风速是相当合理的.     

达里厄风力机恶劣工况下气动特性的数值模拟

以一台具有三个叶片的达里厄风力发电机为例,分析了不同相位叶片的受力特点;基于Fluent软件,采用雷诺时均N-S方程和k-ωSST模型,结合MRF旋转坐标系技术对垂直轴风力发电机进行了二维数值模拟,研究了该垂直轴风力机的风轮扭矩的周期性变化规律,确定了一个旋转周期内的恶劣工况。通过对恶劣工况下不同来流风速和转速时的瞬态数值模拟获得了其流场特征。研究表明:叶片之间的干扰和风轮的气流泄露将在不同程度上影响风力机的性能,并模拟计算了增加叶片后的扭矩变化规律。     

风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究

采用SSTk-ω模型,分别对均匀风和剪切风下1.2 MW水平轴风力机在11.26m/s来流风速下的绕流流场进行三维数值模拟。根据模拟结果分析均匀来流和动态风剪切来流对风力机输出功率的影响以及风剪切对风力机三维流场的气动性能影响。研究结果表明:均匀风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;风力机受到风剪切的影响时,能导致叶片表面的载荷和性能发生变化。     

双层反转垂直轴风力机的流场特性数值模拟

针对由垂直轴风力机运行过程中的动态失速问题所导致的功率系数较低的问题,提出双层反转构型的垂直轴风力机. 通过在传统垂直轴风力机内侧设置反转向辅助叶片的方式,改善垂直轴风力机流场,从而提高其功率系数. 将该风力机与传统垂直轴风力机进行计算流体动力学数值模拟对比分析,研究不同叶尖速比情况下两者流场特性的差异以及双层风力机内外层风轮起始运转相位差的影响. 通过计算得到的内层辅助叶片的时均扭矩系数为正,不需要额外功率输入. 外层叶片的扭矩系数结果表明,采用这种构型会降低叶片上游区域扭矩系数的峰值,同时大幅提高下游区域扭矩系数,从而实现时均发电效率的提高. 对流场中涡系结构进行分析,结果表明,功率系数提升的原因是内层辅助叶片的反向旋转抑制了主叶片的动态失速. 特别是当叶尖速比为1.85时,在初始相位差为90°的对比算例中,与传统垂直轴风力机相比,新构型下的叶片时均扭矩系数提高了43.92 %.     

风力机复合材料叶片流固耦合分析

为了给风力机叶片优化设计及研发工作提供准确的数据,减少成品的开发周期,降低成本,并保证风力机的安全运行,提出一种针对铺层后风力机风轮及叶片并利用ANSYS Workbench进行单向流固耦合分析的方法.主要在传统翼型NACA4412模型下进行叶片建模改进,应用铺层设计把叶梢、叶根、展向等改成渐变式厚度并进行流固耦合分析.数值模拟结果表明:叶片在风速13 m/s时叶尖部分压力最大,此时叶片弦长及其厚度处于最小状态,叶片中部靠近叶片前缘的位置为应力最大处.     

一种新型4叶片聚能风力机气动性能研究

基于扩散器计算流体力学模型和叶素动量理论,建立了聚能风力机的气动性能计算模型.通过扩散器装置和增加叶片数得到了一种新型聚能风力机构型.新型风力机在一定来流风速范围内增加了叶片切向力的分布,从而提高了风能利用系数.研究结果表明聚能风力机的启动风速得到了有效降低,最大风能利用系数超过贝兹极限.     

不同布置方案风力机尾流及相互作用的实验研究

以不同布置方案的风力机尾流场为研究对象,运用压差式风速仪对风力机尾流场的相互作用进行研究。对于2台风力机,当下游风力机(第2台风力机)全部或部分置于上游风力机(第1台风力机)的尾流场时,对下游风力机的尾流场进行测量。实验结果表明:当下游风力机全部置于上游风力机尾流场时,近尾流场受上游风力机尾流的影响较大,远尾流场受上游风力机尾流的影响较小,当两风力机轴向距离5D时,上游风力机对下游风力机的影响整体较小,且来流逐渐融合,表现出小幅度波动现象;当下游风力机部分置于上游风力机尾流场时,处于尾流场中的部分受上游风力机尾流(主要是叶尖涡)的影响,与尾流区外的相比,该部分的尾流区速度损失严重,但稳定性较好,当风力机横向距离大于1.5D时,随着横向距离的增大,轴向速度逐渐增大;随着轴向距离的增大,2种布置方案下轴向速度的变化幅度均逐渐减小。     

风力机近尾迹区域气动噪声分布和传播规律的实验研究

以S系列新翼型水平轴风力机为研究对象,利用声阵列法对S系列翼型风力机的近尾迹区域声场噪声分布和传播规律进行了实验研究。利用丹麦B&K公司的振动噪声采集分析系统在风洞开口试验段,在保证额定来流风速10m/s不变,对不同尖速比下的S系列翼型水平轴风力机风轮下游进行噪声测试,并且对最大声压级进行了分析。结果表明：风轮在旋转过程中,风力机风轮下游同一截面不同尖速比下噪声最大声压级的分布规律是在测试截面上由圆心沿半径增大的方向依次经过三个压力脉动变化强烈的区域,它们是测试圆心区域、中心涡区域、叶尖涡区域,测点在上述三个区域都会出现声压级的峰值,并且在叶尖涡区域声压级的峰值达到最大;在同一尖速比不同截面下风轮近尾迹区域噪声传播变化规律是沿着x轴正方向远离风轮旋转平面的测试截面上中心涡区域和叶尖涡区域半径增大,不断向外迁移。     

基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

为了提高风能利用效率,合理设计风电场,基于ANSYS Workbench有限元仿真平台以水平轴风力发电机为研究对象,在额定工况条件下对风力发电机周围流场特性进行了流固耦合分析,得到了风力发电机尾迹及叶片附近旋转域流场的风速、风压分布.结果表明:在风力发电机后不同距离的截面处,其湍动能沿竖直方向均呈现“M”型变化趋势;在水平方向上,部分流经叶片的空气产生了旋转,并具有向四周扩散的现象;在叶片旋转域中,沿叶片径向其风压与风速不断增大.     

Experimental study of the wake characteristics of a two-blade horizontal axis wind turbine by time-resolved PIV

Wind tunnel experiments of the wake characteristics of a two-blade wind turbine, in the downstream region of 0x/R10, have been carried out. With the help of the time resolved particle image velocimetry(TRPIV), flow properties such as the vortex structure,average velocity, fluctuations velocities and Reynolds stresses are obtained at different tip speed ratios(TSR). It is found that the wind turbine wake flow can be divided into velocity deficit region, velocity remained region and velocity increased region, with generally higher velocity deficit compared with a three-blade wind turbine wake. Once a blade rotates to the reference 0° plane,the tip vortices generate, shed and move downstream with the intensity gradually decreased. The leapfrogging phenomenon of tip vortices caused by the force interaction of adjacent vortices is found and more apparent in the far wake region. The axial fluctuation velocity is larger than radial fluctuation velocity at the blade root region, and the turbulent kinetic energy shares the similar trend as the axial fluctuation velocity. The axial normalized Reynolds normal stress is much larger than the radial normalized Reynolds normal stress and Reynolds shear stress at the blade root region. As the TSR increases, the radial location where the peak axial normalized Reynolds normal stress u'u'/U~2 and axial fluctuation velocity appear descends in the radial direction.     

不同入流条件及偏航角下的单风机尾流特性

随着大型风电基地建设,上游风机在运行时会使下游风场风速下降,湍流度增大,造成下游风机发电功率降低,加剧风机的疲劳破坏并缩短其服役周期。因此,亟需开展风机尾流研究,明确其特性及演化规律。为了揭示不同入流及偏航角下的单风机尾流特性,基于单风机尾流风洞试验,验证基于大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)结合致动线模型(Actuator Line Model, ALM)数值模拟方法的准确性;基于LES-ALM模拟方法研究入流风场（包括风速及湍流度）及偏航角对风机尾流特性的影响,阐明正负偏航角下单风机尾流的对称性。结果表明：随着背景湍流度的增大,风机尾流恢复速度加快;当入流条件相同时,风机设置正负对称偏航角,其尾流风速也表现出一定的对称性;风机偏航角越大,风机尾流膨胀宽度会逐渐减小,并降低尾流风速的亏损程度。     

Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine

Large-eddy simulation(LES) with fully resolved rotor method(FRM) is applied to explore the turbulent wake flow characteristics and vortex evolution laws of a two-bladed horizontal-axis wind turbine. Relevant wind tunnel experiments have been done based on time resolved particle image velocimetry(TRPIV) technique. The simulation results are validated by the experimental data and they are in good agreement. The axial average velocity, turbulent kinetic energy, shear Reynolds stress, and vortex structure of the wind turbine wake are analyzed based on the comparison of LES results and experimental data. It is observed that the wake diameter of wind turbine enlarges with the increase of tip speed ratio(TSR). Turbulent kinetic energy meets its minimum value when x/R=2.0. Shear Reynolds stress appears a positive peak in the near wake when x/R2.0, and the value of shear Reynolds stress decreases along the axial direction. The blade tip vortex dissipates more quickly than the central vortex in the wind turbine wake, and the gradient of the relationship curve between the blade tip vortex core position and the vortex age decreases as the TSR increases. With the increase of TSR, the thrust coefficient increases, and the power coefficient increases first and then decreases.The present work proves that LES with FRM could calculate wind turbine turbulent wake flow with a high accuracy.     

风电叶片疲劳加载激振系统解耦控制算法及试验研究

风电叶片逐渐向大型化方向发展,为了提高大型风电叶片疲劳试验的激振能力、缩短测试周期,两激振源联振已成为疲劳测试方法中具有前景的发展方向。首先进行两激振源的耦合特性试验,设计了激振源转速、相位和叶片振幅的测试方案。当2个激振源初始转速设定为35 r/min时,风电叶片在该激振源作用下进行试验,得出2个激振源转速差在±5 r/min范围内波动、相位也存在耦合现象,叶片振幅变化絮乱。为了提高两激振源的同步效果,在分析现有控制策略的基础上,采用并联交叉耦合结构,开发了滑模变结构同步控制算法,并利用李雅普诺夫函数证明了该算法的渐近稳定性。最后,搭建了一套10 MW级大型风电叶片疲劳试验平台,开发了基于分布式网络总线的疲劳激振控制系统,将该滑膜变结构控制算法应用于aeroblade 2.0~54.38风电叶片两点激振试验。试验结果表明,在两激振源转速均为35 r/min时,两激振源的转动步调一致,相位也能基本保持同步,此时叶片振幅最大,且非常稳定。在不同的初始速度驱动下,分别设定为40和30 r/min,2个激振源的转速均能快速跟随并分别保持。由于两者转速不一致,导致叶片振幅发生波动。上述试验结果表明,虽然2个激振源之间的机电耦合是固有存在的,但是设计的滑模变结构控制算法能使2个激振源的转速、相位步调一致,具有良好的鲁棒特性,有效地保证了疲劳试验的顺利进行。     

典型台风登陆过程平均风时距转换系数分析

为掌握中国东南沿海台风登陆过程近地面风速变化规律及影响因素,根据2005年浙江省东海塘观测塔和上海市芦潮港观测塔分别实测得到的2次典型强台风(麦莎(Matsa 0509)和卡努(Khanun 0515))登陆时段距地面10 m高度处的实时风速记录资料,计算了不同时距风速的转换系数及其概率分布.计算结果表明,风速时距转换系数服从广义极值分布,V3 s/V10 min服从极值Ⅱ型分布,V30 min/V10 min以及V1 h/V10 min服从极值Ⅲ型分布.分别处于台风远端和近端的两处观测塔的实测记录表明,A类场地下,在台风影响范围内,工程场地处台风气候条件下10 m高度处风速时距转换系数的取值及其概率分布基本保持稳定,基本不受台风路径、台风强度变化、观测点在台风风场中的相对位置以及台风登陆与否的影响.A类场地的台风气候条件下,采用基于概率统计的具有一定保证率的风速时距转换系数取值,能够为建筑结构抗风性能设计提供可靠保证.     

风剪切对风力机设计的无关性分析

根据指数律的风速分布函数,对风轮扫掠面积上的实际风功率与以风轮中心风速为设计风速产生的风功率的差值做精确计算,得到了风功率的增量。在四类廓线指数、七种塔架高度情况下,利用数值积分方式计算得到的结果表明,采用风轮中心风速做为单一的设计风速是切实可行的,风剪切对于风力机的气动设计基本无关。