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。     

基于嵌套网格技术的风力机叶片绕流数值模拟

采用雷诺平均Navier-Stoker(以下简称N-S)方程及嵌套网格技术发展了一种新的风力机叶片绕流数值模拟计算方法。空间离散采用中心有限体积法,时间推进采用改进的隐式LU-SGS格式。为了便于实施旋转对称性边界条件以及更好地捕捉尾涡,该文采用了嵌套网格技术。应用该方法对美国国家可再生能源实验室设计的CER实验风力机叶片进行了数值模拟,较精确地捕捉了尾涡。压力分布计算结果与实验值和参考文献值吻合较好,验证了计算方法的正确性。     

预弯对10MW级风力机叶片气动特性的影响

为分析预弯处理对10 MW级风力机叶片气动特性的影响,以DTU 10 MW风力机为例,采用CFD数值模拟方法,研究均匀来流不同风速下风力机的输出功率,并与BEM计算结果进行对比。同时,对比分析直叶片和预弯叶片风力机的功率特性、沿展向出力分布、沿展向不同截面翼型的流动特性。研究结果表明,直叶片各截面翼型的压力差较预弯叶片的大,做功能力较强。预弯通过对叶片的三维流动产生扰动,进而影响风力机的输出功率,且主要体现在叶片展向70%~90%的位置。研究成果可为风力机叶片气动性能的设计与优化提供参考。     

风力机叶片三维数值计算方法确认研究

采用CFD软件包FINETM/TURBO,以两叶片NREL PhaseⅥ风力机的风轮为对象,进行了风力机风轮叶片三维绕流的定常粘性数值模拟研究。通过详细对比计算结果与实验数据(包括功率、叶片展向5个截面压力系数分布及沿叶展方向载荷系数分布),确认在大部分风速条件下数值模拟可以很好的预计风力机气动性能。然后分析了计算域尺度、边界条件和湍流模型等对数值模拟结果的影响,为采用CFD技术对实际风力机叶片三维气动性能进行精确数值模拟提供参考。     

基于气动弹性理论的风力机叶片耦合分析

针对风力机叶片,建立其结构动力学方程,推导分析了叶片旋转所产生的振动速度及其对来流的影响。基于BEM(Blade Element Momentum)理论,在风力机空气动力学基础上,建立了风力机的气动耦合分析模型。应用该模型,对某2MW风力机进行了计算分析,得到了叶片在额定工作风速下的振动变形、速度、加速度以及叶片沿展向的变形和载荷分布。充分考虑叶片的结构振动特性与来流风速的耦合效应,使得风力机空气动力学特性模型更加准确,对于风力机的设计和分析具有重要意义。     

风力机叶片旋转对测风仪的影响

采用CFD方法对1.5 MW风力机叶片DF77A和DF77D进行三维定常数值模拟。分别与风力机设计功率数据进行对比,在确认数值计算结果可信的基础上,对比了两种叶片三维粘性流场的流动细节,分析了两种叶片在不同来流风速条件下气动性能,同时详细分析了两种叶片对1.5MW机组机舱尾部测风仪的影响,为大型兆瓦级风力机优化设计提供参考。     

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。     

台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究

结合2005年0518号台风"Damrey"的实测时程数据,参考美国可再生能源实验室5 MW风力机主要设计参数,重点研究台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷特征。首先,鉴于完整台风实测数据跨越时间较长,且风速和风向变化具有显著的时段特征,因此科学截取一段具有代表性的3 h台风风速-风向时程数据。其次,综合考虑5 MW风力机叶片主要截面翼型设计参数和变速变桨控制系统,基于叶素动量(BEM)理论模拟分析代表性台风时程下风力机叶片的空气动力载荷特征,并将该数值模拟结果与相关简化计算结果进行对比分析,揭示风力机变速变桨控制系统的时滞性对台风作用下叶片空气动力载荷的重要影响。最后,进一步研究风力机停机状态下的叶片台风载荷特征,建议在台风作用下采用主动顺桨叶停机策略,以实现降低叶片气动载荷保证风力机主体结构安全的目的。     

采用动网格与滑移网格技术的垂直轴风力机启动性能计算

针对垂直轴风力机的启动问题,采用动网格和滑移网格技术进行数值模拟和比较分析,并与公开发表文献的风洞实验数据进行了对比验证。文章通过对风力机启动的非定常过程进行研究,获得了风力机启动性能,并分析了计算所得的速度场。通过分析和综合对比显示,被动型动网格更适于风力机的启动性能模拟,得到的速度场与文献研究结果更接近。该模拟方法更符合流场的实际状态,为垂直轴风力机启动性能数值模拟提供了新思路。     

两种非对称翼风力机性能的试验研究

在低速风洞中对两种非对称翼型(3734和GOE382)小型垂直轴风力机的自启动性能和功率输出性能进行了测试,研究了叶片数和来流风速对两种翼型的风力机性能的影响。结果显示,非对称翼3734风力机的静态自启动性能劣于GOE382,但功率输出性能优于GOE382风力机。     

考虑停机位置风力机塔架-叶片耦合体系风致稳定性能分析

强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能。以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机为研究对象,采用CFD方法对叶片单个旋转周期间8个停机位置下风力机塔架-叶片体系的流场进行数值模拟,并与规范曲线进行对比验证数值方法的有效性。此外,结合有限元方法计算不同停机位置下风力机体系动力特性、静风响应、屈曲稳定性能和极限承载力。在此基础上,提炼出停机状态下叶片位置对风力机体系风致响应和稳定性能的演化规律,归纳总结出此类风力机体系风致失稳破坏的最不利控制工况。研究表明:在风力机叶片的1个旋转周期内,当叶片与塔架完全重合(即工况1)时,体系气动性能最差但静风响应较小;随着叶片顺时针旋转,其风致稳定性能呈现先增大后减小的规律,在工况3处其临界失稳风速达到最大,在工况6处临界失稳风速最小。同时研究发现:风力机塔架与叶片的耦合效应会产生一种能显著提高体系极限承载能力的"逆向效应",并且随着叶片对塔架遮挡面积的减小,该"逆向效应"愈加显著。     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.     

链传动式风力机4种叶轮气动性能对比分析

采用UDF(User-Defined Function)和动网格相结合的方法对链传动式风力机三维流场进行数值模拟研究.通过对不同风速下4种叶轮的压力场、速度场以及风能利用系数的分析计算,发现叶片在流场中的形态对叶片的受力有较大的影响,风力机前后层叶片间的流场均匀地分布会有效提高后层叶片对风能的利用率.     

双层翼水平轴风力机气动性能研究

以NREL Phase VI风力机叶片为参照对象,设计一种双层翼叶片.在不同来流风速下,对该新型水平轴风力机叶片气动性能进行数值模拟,对比原始NREL Phase VI风力机在相同来流风速相同叶片高度处的流线图,发现双层翼叶片可较有效抑制流动分离.进一步将双层翼风力机叶片的扭矩值、弯矩值分别与相同条件下NREL Pha...     

基于Matlab/Simulink的风力机性能仿真研究

随着风力发电技术的发展,变速风力发电技术成为了风力发电发展的趋势。风力机作为变速风力发电机组的重要部分,其性能影响到风力发电机组的整体性能。根据变速风力机的静态性能特点,采用Matlab／Simulink软件对其进行建模,并给变速风力发电机组风力机输入模拟变速风速进行仿真研究,给出了风力机的静态性能数据和仿真波形。结果表明：通过调节影响风力机性能的各因素,保持发电机的转速与主导风速之间特定的最优比例系数,使得风力机保持在最佳叶尖速比下运行,跟随变速风速可实现最大风能捕获;对变速风力机的静态性能研究建模方法是正确可行的。     

基于改进型升力面自由涡尾迹法的风力机性能研究

为准确模拟风力机高风速偏航工况下的气动特性,以NREL Phase VI实验叶片为算例,考虑叶片旋转导致的失速延迟现象,通过Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型与Du-Selig失速延迟模型建立三维尾缘分离预估模型,并与升力面自由涡尾迹法耦合。以更精确预测分离点位置和附着涡诱导速度,讨论叶片弦向布置的涡格数量对计算准确性的影响。对比改进前后的升力面模型模拟叶片在高风速下不同偏航角工况的气动性能,结果表明:改进后升力面模型可大幅提高高风速气动性能预测的准确度,两涡格三维尾缘分离预估模型对法向力系数和弦向力系数的模拟最为精确。     

基于混合笛卡尔网格的风力机问题数值模拟

基于混合笛卡尔网格方法,对S809翼型和Phase VI叶片的绕流问题进行数值模拟研究。计算网格物面附近生成贴体结构网格,其余部分使用笛卡尔网格进行填充,两者之间通过查找"贡献单元"的方法来进行流场信息的传递。计算方法采用低速预处理方法消除可压缩方程在处理低速问题时的刚性,同时结合旋转坐标系方法考虑风力机旋转效应,进行风力机低速问题数值模拟研究。另外,在Phase VI叶片的计算中,通过笛卡尔网格的局部加密来捕捉尾涡。通过与实验数据及他人数值计算的结果进行对比分析,结果表明该文开发的这套基于混合笛卡尔网格的低速求解器能较为准确模拟风力机叶片轴流状态的流场,并能准确捕捉叶尖涡和叶根涡在风力机下游的发展。     

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。     

锯齿尾缘风力机叶片气动及噪声性能研究

为理解锯齿尾缘风力机的气动噪声原理和气动性能,以NREL Phase VI风力机的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,在7 m/s风速工况下,采用分离涡和FW-H方程模拟相结合的方法进行仿真,获得并对比5个叶片展向位置的压力系数和声信号声压指向性。研究表明,在叶片吸力面靠近叶尖的尾缘区域,风力机原型相比于锯齿型出现了明显的分离现象;锯齿型叶片声压级在前缘处较大,尾缘处次之;锯齿结构改变了壁面分离模式,使流场得到改善,降低了风力机噪声的声压级,提高了叶片的气动性能,同时也说明了风力机叶片前缘与尾缘是噪声集中产生的位置。研究结果能够为风力机降噪提供重要的理论依据。     

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.