带端板的垂直轴风机性能的数值研究

本文采用课题组开发的一套通用计算流体力学软件UCFD,对叶片两端添加端板的H型Darrieus垂直轴风力机的流场进行了三维数值模拟,考察了所加端板形状和尺寸大小对风力机风能利用率的影响。结果表明:叶片两端添加适当尺寸的端板可有效抑制叶片端部的绕流涡强度,改善了风力机叶片叶梢附近表面的压力分布状况,从而提高了风力机叶片单位展向长度的风能利用率,且也有助于提高此类风机的运行稳定性。     

升力型垂直轴风力机翼型的选择

目前升力型垂直轴风力机采用的翼型多种多样,为了研究不同翼型对升力型垂直轴风力机风能利用率的影响,本文采用计算流体力学软件和滑移网格技术对升力型直叶片垂直轴风力机进行二维流场的数值模拟。结果表明,对于升力型垂直轴风力机,当选择NACA0018翼型可以达到最高的风能利用率。     

高尖速比下非对称翼型叶片结冰风洞试验

对于安装在湿冷环境下的风力机,极易遇到风力机表面结冰问题。风力机表面结冰严重影响了风力机的正常运行。为了研究垂直轴风力机在较高尖速比下的叶片表面结冰分布,本文采用了一种基于自然低温的结冰风洞试验方法。在低温环境下对采用S809非对称翼型的垂直轴风力机叶片进行试验,测试了在三种尖速比下的叶片表面结冰,并分析了结冰面积的变化。结果发现,当风力机尖速比超过1以后,叶片表面不再完全被结冰覆盖。主要结冰区域为叶片前缘,同时有横向生长的冰溜产生。     

叶顶端板对H型风力机气动特性与三维绕流场的影响

本文采用笛卡尔动网格方法数值模拟研究了叶顶端板对H型垂直轴风力机非定常气动特性与三维黏性绕流场的影响。选用SST湍流模型,假设全流场为湍流流动。叶尖速比为1.86~2.57,以实验模型为研究对象,对未加装叶顶端板的H型风力机进行了三维数值模拟研究。在实验模型的基础上给每个叶片的顶部分别加装了端板,采用同样的数值模拟方法,选择低、中、高三个叶尖速比研究了带有叶顶端板的H型风力机的三维非定常气动特性。利用不带端板和带有端板的风力机模型计算得到的功率系数与实验数据进行了比较,讨论了单个叶片和风轮载荷沿周向的变化,分析了一个旋转周期叶顶附近相对速度的变化规律,揭示了加装端板后风力机气动载荷提高的原因。     

一种叶片前缘前带微小圆柱的垂直轴风力机

本文提出了一种通过在叶片前缘前设置微小圆柱来抑制叶片上流动分离的控制方法,并对采用此流动控制方法后的升力型垂直轴风力机的气动性能进行了数值研究。结果表明,在大攻角情况下,翼型前缘前设置微小圆柱可以有效地抑制风力机叶片上的流动分离,得到增升减阻的效果;同时,与传统的升力型垂直轴风力机相比,前缘前设置微小圆柱后的垂直轴风力机在低尖速比下的风能利用率可得到大幅度的提高。     

基于高精度有限元模型的叶片气弹耦合分析

运用ANSYS参数化设计语言,建立具有真实气动外形和复合材料铺层的高精度有限元壳结构模型,并且在Matlab平台调用、耦合基于BEM理论建立的气动模型,从而构建风力机叶片气弹分析模型。充分考虑叶片实际受载情况,对100 kW风力机叶片进行弯扭耦合加载气弹分析,求解了耦合与非耦合情形下风力机的响应、功率系数和弯矩等,总结不同风速下气弹耦合作用对于风力机的影响,并对风力机叶片设计提出改进措施。     

螺旋型垂直轴风力机的气动与启动性能研究

垂直轴风力机因其结构简单、无需迎风、传动简便、制造容易、成本低等优点而备受关注。垂直轴风力机通常可分为升力型和阻力型两大类。一般来讲,升力型风力机的风能利用率较高,而阻力型风力机的风能利用率较低。然而,直叶片升力型垂直轴风力机因某些相位处的启动扭距小,有时需要通过电机带动才能启动。本文应用计算流体力学方法,研究了一种螺旋升力型风力机,结果表明:螺旋型风力机不但具有较高的气动性能,而且具有较好的启动性能。     

新型聚能-遮蔽升力型立轴风力机

本文提出了一种适合任意风向的新型聚能- 遮蔽升力型立轴风力机,并应用计算流体力学方法,对这种风力机的气动性能进行了数值模拟.研究表明:这种聚能升力型立轴风力机比传统的升力型立轴风力机的风能利用率有非常大的提高.此外,本文还采用了正交优化设计方法,对这种立轴风力机的结构参数进行了优化设计,得到了一组优化的设计参数,该优化设计参数下风力机的风能利用率最高可达39%.     

海上风电叶片智能控制实验系统研制及控制效果分析

随着风力机大型化发展,叶片尾缘襟翼控制技术,作为叶片流场主动控制的一种有效手段,能够有效、快速、灵活地降低叶片载荷,提高风力机,特别是大型风力机的可靠性、经济性,该技术受到国内外的广泛关注。为深入了解叶片襟翼实际作用效果及降载机制,在大量数值仿真计算工作基础上,需进一步开展带有襟翼控制的模型风力机风洞实验工作。本文在相似准则基础上,引入叶片展向环量、Polar线相似条件,对NREL 5 MW风力机叶片按1:105进行缩比设计,采用伺服电机驱动襟翼的结构方案对叶片参数进行修正,并根据BEM理论优化带有襟翼叶片的气动性能,最终确定带有襟翼控制的风力机叶片设计方案。最后利用气弹耦合仿真计算平台对带有襟翼控制的模型风力机进行性能计算,确定理想实验工况点及对应的降载效果。本文所开展的工作不仅能够为叶片缩比设计提供新思路,更有意义的是为襟翼控制系统在叶片中的实现提供有效借鉴。     

垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。     

一种新型垂直轴风力机的CFD分析

Savonius风力机由于作用在叶片的凸面上的"负阻力"和来流不稳定性导致效率低,该"负阻力"造成一个负转矩降低了输出功率,并且在某些来流角度下导致原装的Savonius风力机启动困难。本文提出一种采用控制叶片数目和叶片不同弯曲度的控制来提高风能的利用率,并用CFD方法模拟不同转子结构的内流特征,为消除"负阻力",提出一种采用导叶或挡风板的结构实现引流,并数值分析了该结构的流动特征。模拟结果显示,新结构的多叶片Savonius风力机的转矩和启动特性有明显改善,且功率系数也比普通的Savonius风力机高。     

风力机翼型气弹响应的风洞模拟实验研究

非定常气弹设计是叶片大型化设计的瓶颈技术,开展叶片气弹响应实验研究具有重要的科学意义和较高的挑战性.本文提出一种气弹相似准则,搭建了模拟三维叶片弯扭耦合气弹响应的翼型俯仰沉浮二自由度风洞气弹实验平台,分析了安攻角和结构刚度对气弹稳定性和振荡形态的影响规律.研究发现了4类不同的气弹响应类型,增大刚度和安装角可以在一定程度...     

风力机叶片气动噪声的影响参数*

随着风力机的大型化，风电机组对环境的影响不容忽视，必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究基准，采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性，通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数，研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律，为开发高效低噪风电叶片提供参考。     

大型风力机叶片非线性气弹模型

大型柔性叶片在实际运行过程中存在明显的几何非线性变形问题。本文基于自由涡尾迹方法,与FAST进行耦合建立了完善的风力机叶片气弹模型。并通过NREL PhaseⅥ风力机对气动部分进行了验证,最后用耦合后的气弹模型对两种极端工况进行了数值仿真。结果表明,自由涡尾迹方法能够更好的模拟风力机叶片的气动变化过程。耦合后的气弹模型能够很好的模拟极端风切变下的结构变化。     

5MW大型风力机气动特性计算及分析

分别采用BEM和CFD方法对NREL 5 MW风力机的气动特性进行计算,通过分析不同风速下各气动参数的变化规律,揭示了大型变速变桨风力机的功率特性和载荷特性。两种计算结果的详细对比和分析表明,高风速时由于雷诺数大幅增加,BEM方法计算的功率和载荷偏大,在采用BEM方法进行大型风力机的气动设计和校核时,应当考虑雷诺数的影响。同时,失速延迟修正和叶尖损失修正模型在高风速时有较大误差,有必要深入验证传统的修正模型在大型风力机上的适用性。     

大型风电机组桨距角跟踪鲁棒自适应反演控制

针对具有很强非线性的风力机桨叶系统,利用动量矩定理,建立桨叶动力学数学模型,采用自适应反演控制,设计独立变桨鲁棒自适应桨距角跟踪控制器。该控制方法采用在实际控制量中,引入自适应鲁棒项,克服和消除不确定性对桨叶系统的影响。利用Matlab/Simulink软件,搭建风力机仿真平台,仿真结果验证了所提出控制方法的可行性和有效性。在桨叶系统参数不确定、受到未知不平衡载荷的情况下,经过自适应过程,设计的控制器较好地实现了风力机桨叶桨距角独立、快速跟踪各自期望的桨距角。     

风力机叶片21%相对厚度翼型粗糙敏感性研究

基于变速变桨水平轴风力机,依据动量叶素理论和风力机实例,分析得出了叶片外侧翼型(包括21%相对厚度翼型)在低于额定风速变速运行阶段的粗糙敏感性评价指标为升力系数和升阻比的下降率;提出了根据升、阻力系数对输出功率的作用大小来确定两粗糙敏感性评价指标权重系数的方法,并用实例演示了21%相对厚度翼型粗糙敏感性评判基准的获得;另外,通过正交设计、XFOIL软件几何造型与气动计算和方差分析得出了翼型各几何参数在不同雷诺数下对粗糙敏感性不同评价指标的影响程度和最优组合是不一样的。本文结论可为不同风况下风力机翼型的设计和粗糙敏感性评价提供参考。     

Numerical Investigation and Wind Tunnel Validation on Near-Wake Vortical Structures of Wind Turbine Blades

Computational fluid dynamics (CFD) has been used by numerous researchers for the simulation of flows around wind turbines. Since the 2000s, the experiments of NREL phase VI blades for blind comparison have been a de-facto standard for numerical software on the prediction of full scale horizontal axis wind turbines (HAWT) performance. However, the characteristics of vortex structures in the wake, whether for modeling the wake or for understanding the aerodynamic mechanisms inside, are still not thoroughly investigated. In the present study, the flow around NREL phase VI blades was numerically simulated, and the results of the wake field were compared with the experimental ones of a one-to-eight scaled model in a low-speed wind tunnel. A good agreement between simulation and experimental results was achieved for the evaluation of overall performances. The simulation captured the complete formation procedure of tip vortex structure from the blade. Quantitative analysis showed the streamwise translation movement of vortex cores. Both the initial formation and the damping of vorticity in near wake field were predicted. These numerical results showed good agreements with the measurements. Moreover, wind tunnel wall effects were also investigated on these vortex structures, and it revealed further radial expansion of the helical vortical structures in comparison with the free-stream case.