水平轴风力机尾流的自相似性与流场特性研究

为阐明均匀来流条件下水平轴风力机的尾流特性,采用剪切应力输运(k-ωSST)湍流模型,通过求解雷诺时均的N-S方程,在不同叶尖速比(λ)下对某33k W两叶片水平轴风力机风轮的尾流流场进行了数值模拟。结果表明,除了尾流边缘的区域,在风力机下游一定距离处轴向速度亏损开始满足高斯自相似性,叶尖速比越大,在下游离风轮越近的位置越容易达到自相似的状态;同时,随着叶尖速比的增大,尾流区膨胀效应越明显,叶尖涡和叶根涡向下游移动的过程中更早的发生破坏;在风轮下游2D的范围内叶尖涡和叶根涡的涡量强度随离风轮下游距离的增加逐渐减小,涡核面积逐渐增大;在尾流区同一轴向位置,叶尖涡的涡量强度始终大于叶根涡的涡量强度。     

新型组合式导管水轮机水动力性能研究

为了解决导管水轮机尾流分离的问题同时减小系统轴向的阻力，采用计算流体力学（CFD）与拖拽水池试验相结合的手段对一种新型带流道的组合式导管水平轴水轮机进行了水动力性能研究。分析了导管流道数量、流道宽度及流道形状对系统水动力的影响。研究结果表明：相比原导管水轮机，组合式导管水轮机在保证输出功率基本不变的前提下，在低叶尖速比运行状态下能显著减少导管的轴向阻力并改善尾流流动情况，提高系统的运行稳定性。同时在一定范围内，随着流道数及流道宽度的增大，尾流改善效果将变得更明显。对于流道形状而言，直流道为最佳流道。研究成果为解决该型水轮机流动分离问题提供了参考依据，对水轮机及支撑装置的优化设计具有参考作用。     

同轴反桨双风轮垂直轴风力机气动特性分析

对一种新型同轴反桨双风轮垂直轴风力机的气动特性展开研究,采用计算流体动力学方法对双风轮风力机进行了动态分析,并通过求解三维非定常N-S方程,得到风力机的气动载荷,与实验对比验证了该方法的有效性。研究结果表明:当尖速比为4时,同轴反桨双风轮垂直轴风力机下风轮相对于单风轮风力机的功率系数提高0.3%,而上风轮功率系数则提高3.2%;双风轮风力机尾流速度亏损大于单个风力机尾流速度亏损,在风场布机中有较大优势。当尖速比为4时,同轴反桨双风轮风力机内部复杂的涡流变化比较剧烈,其对风力机尾流变化也会产生较大的影响,此外,同轴反桨双风轮风力机内部的叶尖涡变化没有单个风力机内部叶尖涡变化明显。     

潮流能导管水轮机水动力性能研究

为了提高潮流能水轮机发电装置的输出功率,采用雷诺平均法（RANS-CFD）从功率、载荷、空化特性、非定常特性及多导管的影响等方面,对一种新型水平轴导管水轮机进行了理论研究,并通过拖拽水池试验对计算结果进行了验证。研究结果表明：导管水轮机相比裸水轮机具有较高的输出功率及轴向推力,在来流角±30°内仍能保持较高的输出功率。并且导管水轮机在设计工况下有很好的非空化特性及非定常特性。对于多导管组水轮机而言,附属大导管组能在全尖速比范围内进一步提升水轮机的功率及轴向推力,且随着附属导管攻角的增大,功率及轴向推力也将进一步增大。而附属小导管组则不利于水轮机的功率提升。研究成果对导管水轮机发电装置的优化设计起到支撑作用。     

不同湍流强度下潮流能水轮机尾流特性试验研究

为探究在不同湍流强度下潮流能水轮机的尾流场流速分布和紊动特性,合理布置多机组阵列位置,通过现场模型试验探究了潮流能水轮机在两种湍流强度下的尾流场特性。结果表明:水轮机横向尾流场湍流强度和速度分布沿转轮中心线呈对称分布;水轮机后方1.5D处最大速度损失出现在转轮叶尖位置附近;水轮机后方纵向流场1.5D处,在两种湍流强度下轮毂以上位置的速度分布相似;在转轮中心后方10D位置处,低湍流强度流场速度恢复至初始流速的89.60%而高湍流度流场速度恢复至初始流场的95.22%,高湍流强度流场由于提高其流场的脉动特性而有利于尾流场速度的恢复。研究结果对多机组阵列研究具有一定借鉴意义。     

偏流条件下潮流能水轮机的熵产特性评估北大核心CSCD

部署在开阔水域的潮流能水平轴水轮机经常不可避免处于偏流中并造成一定的负面影响,为了研究其在偏流条件下的熵产及水力特点,通过求解雷诺平均(RANS)方程并结合熵产理论对一水平轴潮流能水轮机进行了三维数值模拟研究。结果表明,随着偏流角的增大,涡轮机的输出功率及推力逐渐减小,最高点所对应的尖速比(TSR)逐渐向低位移动,同时输出功率及推力的波动幅度变大。在相同的偏流角下,熵产随TSR的增大而增大。在不同的偏流角下,熵产在较低的TSR下随偏流角的增大而减小,而在较高的TSR下随偏流角的增大而增大。增加偏流角同样也会导致熵产波动幅度的变大。此外,流场分析表明偏流角决定了下游尾迹的偏转方向并显著改变了尾迹形状。大部分的熵产出现在水轮机的叶尖和轮毂后方,这是因为此处形成了较大范围的流动分离和涡流,这也是导致水轮机出现高熵产的主要诱因。研究结果揭示了水平轴水轮机在偏流条件下的熵产和水力特点并准确定位了熵产集中区域,为水平轴水轮机的优化设计提供了一定的参考依据。     

小型潮流水轮机叶片对称翼型的流动特性分析

本文对一种适合于小型立轴潮流水轮机的THI翼型进行了流体动力特性和翼型外围的流动分析.经计算可知,该翼型在保持与机翼NACA633-0018相近的升力特性的同时,阻力系数稍微增大;从THI翼型全流体动力特性可知,随攻角变化,流体力的变化异常剧烈,翼型的最大升力系数达到1.5、最大阻力系数1.1、最大升阻比28;除攻角0°附近之外的大部分攻角范围内,翼型外围的流动结构复杂,不仅出现回流,而且存在强烈的流动分离.这样的分离流动既影响翼型的升阻力特性,也可能引发流体振动.研究结果可为小型立轴潮流水轮机转轮的水力设计提供重要的参考.     

基于最佳叶尖速比的风电机组静态偏航 误差分析及检测方法

风电机组的偏航误差降低风能利用率,危害机组运行安全。风向传感器零点偏移角是风轮轴线和传感器零点之间的夹角,其使风轮不能完全对风,造成风电机组的静态偏航误差。提出基于最佳叶尖速比的功率趋势分析方法,检测风电机组的静态偏航误差。先由输出功率曲线确定机组运行于最大风能捕获模式的风速区间,再结合叶尖速比曲线确定该模式下的最佳叶尖速比风速区间。建立了二维累加功率模型,将SCADA系统的输出功率数据先后按照偏航角和风速两个维度累加,得到各风速区间内输出功率随偏航角变化的曲线。根据空气动力学贝兹理论,在最佳叶尖速比风速区间内,输出功率最优值对应的偏航角等于风向传感器零点偏移角。利用激光雷达测风仪在冀北风电场进行实际测试,结果验证了功率趋势分析方法具有较高的误差检测精度,也说明了选择最佳叶尖速比区间的必要性。     

水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟

针对近距离平行布置的潮流水轮机机组尾流之间水力性能的干扰问题,采用CFD方法对单个水平轴潮流水轮机叶轮模型和(两轴间距为1.8倍叶轮直径的)平行布置双转子水轮机模型在额定流速条件下实施了三维数值仿真。计算结果显示,无导流罩的单机组,其水轮机尾流场中距离叶轮下游边缘1D(D为叶轮直径)以内的流场域流速有显著的变化,位于该区域下游的流速与外围流速几乎相等,流场相对稳定;对于加装导流罩的双转子水轮机组,其双叶轮后的两个尾流场交互影响作用明显,叶轮上、下游流速差异大,左、右叶轮的能量利用率较未加装导流罩的单个叶轮水轮机有大幅提高。样机物理模型试验结果进一步验证了数值仿真方法有效性。     

采用极值搜索法的风电机组最大风能追踪控制

针对风电机组额定风速以下最大风能追踪控制问题,采用极值搜索的方法,通过对叠加风速扰动的叶尖速比和功率系数进行傅里叶变换,获得相位差信息,确定叶尖速比的变化方向。采用S形传输函数给出叶尖速比的变化量,降低了控制量的变化幅度,柔化了控制作用,进而控制转速跟踪最佳叶尖速比,使运行点向最佳运行点移动。通过对某6 kW风电机组在额定风速以下进行仿真研究发现,该方法不需要了解风电机组精确的参数和数学模型,能够控制风力机转速较好地跟踪风速变化,保持最佳叶尖速比和最大功率系数,减小功率动态跟踪误差,在实现最大风能捕获的同时,降低机组机械载荷。     

垂直轴螺旋三角型叶轮的水动力学性能分析

为改进直叶片垂直轴潮流能水轮机能量输出稳定性差的缺点,一种螺旋“三角型”叶轮被引入用以替代传统直叶片H型叶轮。首先分别以半叶高螺旋周向包角为15°、30°、45°及60°作为设计特征设计获得四种螺旋“三角型”叶轮,然后以计算流体动力学理论为基础研究了半叶高螺旋包角对螺旋“三角型”叶轮水力性能的影响规律。通过研究发现,叶轮改型之后的能量捕获系数有了不同程度的提升,其中改型叶轮在大尖速比工况下的能量捕获系数提升最明显,同时,螺旋包角越大,叶轮功率输出越稳定。经过综合对比,具有15°螺旋包角的叶轮性能最佳,其能量捕获系数的时均值最大提升率为13.4%,且能量输出稳定性也获得改善。此外,通过叶轮改型前后的内流场对比发现,螺旋叶轮不仅有效地减小了叶片尾涡的尺寸和范围,也减小了叶片上水压力脉动的幅值,有利于机组运行稳定性的提高,因此,螺旋“三角型”叶轮可作为一种替代传统H型直叶片叶轮的改进结构在潮流能开发过程中推广。     

工况变化对贯流式水轮机叶顶间隙流态的影响

贯流式水轮机是低水头水能资源开发的主力机型之一,而转轮叶片叶顶间隙流动特性是影响其空化、稳定性能的关键因素.基于数值模拟的方法,本文研究了工况变化引发转轮叶片叶顶间隙泄漏涡初生位置、形态变化的机理,分析了间隙泄漏涡形态改变对水轮机空化、稳定性的影响规律.主要结果表明:工况变化必然伴随导叶开度变化,导叶开度的改变使得转轮...     

负载工况水轮机变速运行仿真研究

针对变速水电机组调节控制的研究需求,本文在研究可变速水轮机调速控制系统动态模型和控制策略的基础上,搭建了可变速水电机组的MATLAB/Simulink仿真平台,开展了变速水轮机组大幅度增/减负荷动态过程仿真,分析了电液随动系统接力器动作速度限制、电液随动系统滞后时间对变速机组减负荷过程的影响。仿真研究表明：（1）本文提出的基于接力器行程误差、转速误差的双闭环PID控制器能够同时实现水轮机转速、导叶开度的无差调节;（2）变速机组大幅度减负荷过程对水轮机而言相当于常规水电机组的甩负荷过程,伴随着转速、水压过高/低的情况;（3）电液随动系统滞后时间、动作速度对变速水轮机负载工况下转速、接力器行程、水轮机水压、单位参数的动态响应过程影响显著,限制了负载工况一次调频、负荷调节的幅度。     

风电场动态分析中风速模型的建立及应用

考虑风电场内机组间尾流效应的风速模型能较准确地描述风速扰动下风电场输出功率的波动，使研究结果更具有实际意义和价值。该文分析了风力机背面风速的计算方法，提出应用风电场及场内风电机组通常可得到的数据，根据在某风向上游风力机对下游风力机的遮挡及遮挡面积的不同，建立考虑机组尾流效应的风速模型，此方法适合于由任何台数风电机组组成的大型风电场风速建模。将输出风速与电力系统分析程序，DIgSILENT/PowerFactory相连，形成了以风速为基础的风电场与电力系统相互影响研究的计算程序，分析了尾流效应对风电场输出特性的影响。     

灯泡贯流式水轮机水力损失分析

对一台灯泡贯流式水轮机进行了全流道各过流部件的流场分析,探讨了各段流道内的水力损失在总损失中占有的比重以及产生的原因.分析结果表明,由于灯泡贯流式水轮机引水室形式的特殊性,几乎不能在导叶进口前提供环量,因此与有蜗壳的水轮机相比,这类水轮机的各过流部件在水力损失方面有不同的表现.活动导叶不仅作为调节流量的部件之一,也是转轮进口环量的提供者,导叶形状及与转轮的协联都对水轮机总损失有较大影响.     

兆瓦级变速恒频风电机组转矩PI控制策略

通过分析风力机的空气动力学特性,对大型的变速恒频风力发电机组进行了建模分析。对于额定风速以下,设计了有效的分阶段转矩控制策略。该策略将转矩控制区域分为3个区域:最小转速运行区、最佳叶尖速比区、额定转速运行区。对最小转速运行区和额定转速运行区设计了转矩比例积分(PI)控制器,以某2MW风力发电机组为例,验证了设计的转矩控制器具有良好的稳定性和动态性能。     

SVC补偿型定速风电机组模型及其特性分析

在电力系统仿真软件DIgSILENT/PowerFactory中建立了静止无功补偿器(static var compensator，SVC)补偿型定速风电机组的模型，分析了其稳态和暂态特性以及由SVC补偿型风电机组组成的风电场对电网的影响，分别采用上述风电机组模型和用电容器组进行补偿的普通定速风电机组模型进行仿真实验，比较结果表明SVC补偿型风电机组具有快速调节无功功率的能力，当系统故障时，该风电机组可快速恢复系统电压，且风电机组启动过程对系统的冲击较小。