风力机三维改进致动面模型的数值研究

改进致动面模型(IASM)是将致动模型与黏性无黏耦合模型结合提出的一种新型的风力机流场计算模型。为了进一步验证模型的准确性和适用性,以NREL Phase Ⅵ风力机为例在OpenFOAM平台上,对比分析了相同工况下ALM模型、IASM模型和CFD模型计算得到的三维流场信息,研究表明,IASM模型计算精度比之ALM模型有了明显的提高,能够较准确地预测叶片近壁区域的流场信息。在IASM模型基础上对不同入流工况下风力机尾流特性进行了分析,为风力机的设计以及风场数值模拟提供了参考。     

风力机致动体模型研究

在风力机流场及其气动性能分析中,计算流体动力学(CFD)方法已受到越来越广泛的关注。近年来出现的致动模型,以在流场中添加体积力源项的形式模拟风力机与三维流场之间的相互作用,极大简化了CFD计算的网格前处理过程、降低了三维CFD计算的网格数量,为大尺度风场的工程计算提供了有效途径。本文研究了致动模型中体积力源项的分布形式,以前期建立的黏性无黏耦合模型为基础构建了新型致动体模型。该模型基于黏性无黏耦合模型提供的压力分布,在叶片真实的三维几何表面布置体积力源项,从而在源头上降低了致动模型所引入的体积力源项分布误差,提高了现有致动模型对叶片三维几何形状的计算精度。     

边界层转捩对风力机气动性能模拟结果的影响

本文采用CFD软件包FINETM/Turbo,选用结合AGS转捩模型的S-A湍流模型,研究边界层转捩对NORD-TANK 500/41型风力机LM19.1叶片三维流场的影响,并与采用-方程S-A和两方程k-ω(SST)模型获得的全湍流计算结果比较.在计算结果与实验数据进行对比的基础上,分析了三维粘性流场的流动细节,探讨了边界层转捩对风力机叶片气动性能和载荷预估的影响,获得了叶片转捩线随风速和沿展向的变化趋势.结果显示边界层转捩使数值计算的叶片性能和载荷增大、边界层分离推迟,为风力机叶片的优化设计提供参考.     

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。     

NREL PhaseⅥ叶片气动性能数值分析

本文采用CFD软件包FINE~(TM)/Turbo,以两叶片NREL Phase Ⅵ风力机的风轮为对象,进行风轮三维绕流的定常黏性数值分析研究.详细对比了计算结果与实验数据,包括功率、叶片展向五个截面压力系数分布及沿展向载荷系数分布,并分析了三维黏性流场流动细节.结果显示在大部分风速条件下数值模拟可以很好地预估风力机气动性能,在所有计算风速条件下均能够较好地模拟叶片表面的压力分布和展向载荷分布.在失速条件下对根部大分离区的模拟有偏差.     

改进致动面模型的多风力机尾流研究

致动模型是一种较新的CFD计算模型,通过在N-S方程添加源项的形式模拟叶片对流场的作用,减少了网格数量和计算时间。本文结合面元法在致动模型上提出一种改进致动面模型,并在OpenFoam平台对改进致动面模型进行尾流预测,数值研究了NREL Phase VI水平轴风力机在均匀来流中的流场特性,对垂直和错排两种排布方式下的多风机尾流流场特性作出分析,如涡结构、速度亏损、尾迹干涉等,为深入研究风力机尾流以及风场开发提供了一定的依据。     

基于非线性升力面方法的风力机尾迹数值模拟

基于非线性升力面方法,结合自由尾迹模型与黏性涡核模型,建立了轴向风和偏航风条件下的水平轴风力机气动载荷和尾迹的数值模拟方法。对具有丰富实验数据的NRELPhase VI风力机和TU Delft风力机进行了数值模拟,将叶片气动力以及尾迹场模拟结果与实验数据进行了对比分析。结果表明,计算方法可以较好地模拟风力机在轴向风与偏航风条件下的叶片气动力和尾迹,是一种具有较高工程精度和计算能力的数值模拟方法。     

风力机叶片气动性能及流固耦合分析

采用RANS方程和SST湍流模型,在不同风速下对Tjaereborg风力机风轮进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了流固耦合作用对风力机气动特性及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:小风速时流固耦合作用对叶片气动性能的影响基本可以忽略;中高风速时,影响作用显著,风力机叶片会发生挥舞、摆振及扭转变形,叶尖是变形量最大的位置,叶片应力集中出现在叶展50%~85%范围内。     

2.5MW风力机叶片流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD软件NUMECA与CSD软件ABAQUS,对不同风速下2.5 MW风力机DF90风轮叶片进行了全三维流固耦合数值模拟,分析了叶片型变与流场的相互作用对叶片气动特性、结构特性的影响。     

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。     

涡轮叶栅气热耦合数值模拟

本文建立了透平机械叶栅流场与叶片温度场的气热耦合计算模型,编制了三维非正交曲线坐标系下的温度场求解程序,计算了实心及空心叶片的温度场分布。介绍了区域分解方法在耦合计算及并行计算中的应用,以矩形区域温度场求解程序为例研究了程序的并行化,最后进仃了叶栅流场计算与叶片导热计算程序的分区耦合计算。     

基于面元法的水平轴风力机数值模拟

使用基于速度面元法的势流数值模拟方法,以NREL PhaseⅥ为例进行了叶片气动载荷和风轮近尾流场的数值模拟。将势流数值模拟、叶素动量理论和计算流体力学CFD方法的计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明使用速度面元法计算风轮绕流场具有较高的计算精度和求解效率,为大规模风力机群的流场计算和出力预报提供支撑。     

弯扭叶片栅内减少能量损失机理研究的新进展

根据实验结果和数值计算结果的分析，本文讨论了三维流场的压力分布对弯曲叶片型式的影响。进一步揭示利用弯曲叶片减小叶栅通道内能量损失的机理，弯曲叶片可以改变三维流场内的径向、横向和流向的压力分布。对于膨胀叶栅，采用正弯曲叶片可以显著的降低叶栅中的总能量损失系数。对于叶展中部伴有边界层强烈分离的导向叶栅，采用反弯曲叶片将有利于减小总能量损失。     

基于致动面模型的风力机尾流数值研究

致动面模型利用无厚度的平面代替风力机叶片,在平面上施加不连续压力来模拟叶片对气流的作用,结合N-S方程,在FLUENT中进行数值模拟计算,是对致动线方法的延伸与改进。运用该方法能够简化风力机的模型,从而减少网格数量和计算时间。采用线性分布下的致动面模型,提出一种致动面网格的辨识方法,对单台Nibe A型风力机的远近尾流区域进行模拟计算,包括尾流风速变化,湍流强度,涡结构,并将数值模拟的结果与致动线模型计算结果以及实验数据进行对比分析,主要是风轮后特定距离截面的风速变化,验证了致动面方法的优越性以及用于风力机尾流场计算的可行性。     

动态变桨式H型风力机气动特性的数值分析

本文采用CFD数值模拟方法研究了H型垂直轴风力机基于动态变桨条件下的二维非定常黏性绕流场。以一个三叶片H型风力机的实验模型为研究对象,采用笛卡尔动网格方法,选用SST湍流模型。叶尖速比分别为2.15和2.27,将动态变桨条件下模拟得到的风力机的功率系数与常规无变桨条件下的模拟结果进行了比较。讨论了单个叶片和风轮总载荷沿周向的变化规律,详细分析了一个旋转周期内二维非定常涡量场的变化,揭示了动态变桨后风力机气动载荷提高的原因。     

涡发生器结构对翼型绕流场的影响

为了研究涡发生器在风力机叶片上的应用,以进一步提高风力机气动效率,本文采用CFD数值模拟方法,分析涡发生器几何形状对其绕流场和翼型边界层特性的影响.涡发生器几何形状为同样高度的矩形、梯形和三角形。翼型为风力机专用翼型DU97-W-300。首先对数值模拟结果与实验值进行了对比,验证了数值方法的可信性。然后详细讨论了各种涡发生器所产生的集中涡涡量、翼型边界层特性、以及绕流场等沿流向的发展演变。总体上看,三角形涡发生器较适合用于风力机翼型的流动控制。     

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。     

切变入流风况下风力机尾流特性研究

致动线模型利用旋转的线表示叶片,利用二维翼型气动数据根据BEM理论计算叶素点作用力,同时通过求解N-S方程计算转子流场。本文首先基于商业CFD软件ANSYS FLUENT开发了致动线模型,并计算了切变入流风况下风力机的气动和尾流特性,发现由于地面阻碍和风切变效应导致风力机尾流存在明显的非对称特征。     

非正交曲线坐标粘性三维跨音流动有粘无粘迭代解法

本文成功地发展了一种三维跨音粘性流动的无粘有粘迭代解法。推导出了非正交曲线坐标形式的三维势函数方程与相应的两类流面通用的边界层微分方程。无粘区采用了三维直接解法。利用有粘区与无粘区交界的信息传递进行迭代求解出三维粘性流场的解。用这种方法来计算透平机械的内部三维粘性流动的实例,可以获得流动的主要特性。文中作了几个实例的计算,结果表明这种方法是合理而满意的。     

不同切变风速下风轮流固耦合数值模拟

以MpCCI为数据交换平台连接商用CFD与CSD软件,以2.5 MW风力机DF90风轮为例,进行了切边来流条件下,不同轮毂风速时的全三维流固耦合数值模拟,在确认数值方法的基础上,分析了不同风速、来流垂直剪切对风轮叶片绕流、叶片变形的影响,以及叶片结构与流场的相互作用对叶片气弹特性以及载荷分布的影响规律。