复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

基于涡尾迹方法的风力机气动性能分析

基于(势流)涡尾迹方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用固定尾迹涡模型和自由尾迹模型分别对气动设计性能进行计算分析,得到风力机设计工况下的涡位置、诱导因子、功率系数及扭矩系数等气动性能参数,并与设计结果对比。结果表明,涡尾迹方法能够快速准确地计算风力机叶片气动性能参数,对风力机叶片气动分析,固定尾迹涡模型较自由尾迹模型计算时间短,具有较好的实用性。     

一种风力机气动计算的全自由涡尾迹模型

采用全自由方式建立风力机尾流场的涡尾迹模型,引入“虚拟周期”的概念,并发展一种自适应松弛因子方法,从而改善了自由尾迹迭代的稳定性,提高了迭代收敛速度。利用建立的自由涡尾迹模型,计算了风力机叶片的尾流场结构、气动性能及叶片载荷,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,尖速比越大,自适应松弛因子方法对缩小模型计算时间越有效;全自由涡尾迹模型能准确给出风力机尾流场的结构,包括尾迹的扩张以及叶尖涡和叶根涡的产生、发展和耗散的过程,风轮扭矩与实验数据吻合;叶片载荷分布的计算结果在低风速下与实验值基本一致,但是在大风速下差别较大,说明需要一个准确的失速模型。     

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化. 风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响. 结果表明:在风剪切入流条件下, 随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧, 推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大, 尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别, 波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大. 尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.      

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长.FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.      

自由涡尾迹方法中涡核尺寸对风力机气动计算的影响

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长. FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取值也不同;风轮气动载荷和叶尖涡结构的准确预估主要受初始涡核半径影响,经验常数对其影响不大,而经验常数主要影响风轮下游尾流场叶尖涡的耗散特性.     

单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述

为实现碳达峰、碳中和“3060”目标, 风能将在我国能源体系发挥重要作用. 风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素, 需在风力机布置和控制设计中充分考虑. 本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法, 包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法. 解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹, 但依赖于模型参数, 且不能或不能准确预测尾迹湍流特性. 结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征, 是流动机理研究的有力工具, 可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑. 接着, 本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理. 对于湍流来流, 叶尖涡主要存在于近尾迹. 蜿蜒是远尾迹的主要特征, 影响下游风力机的来流特征. 尾迹蜿蜒的产生有两种机制: 来流大尺度涡和剪切层失稳. 数值和观测结果显示两种机制共同存在. 机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响. 采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒. 研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性, 为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据. 当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹, 复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂, 现有工程模型无法准确预测, 有待深入研究.      

风力机叶片的三维非定常气动特性估算

结合动量-叶素理论、非定常空气动力和动态失速模型来计算风力机叶片的二维非定常气动特性,并在此基础上经过适当修正后考虑三维旋转效应的非定常气动特性。分析比较二维和三维两种计算结果,给出更为合理的计算叶片非定常气动特性的方法。计算结果表明,风力机叶片的三维非定常气动特性计算结果与二维时的计算结果相比有较大改善。     

风力机叶片翼型动态试验技术研究

风力机叶片动态振荡过程往往伴随着俯仰和横摆同时进行, 以前对许多动态问题不清楚的阶段, 工程上不惜以增加叶片重量为代价而采用偏安全的设计, 通常忽略横摆振荡的影响; 大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出了更高要求, 研究横摆振荡对翼型动态气动特性的影响规律具有重要意义. 本文首次开展翼型横摆振荡动态风洞试验研究, 采用“电子凸轮”技术代替机械凸轮实现了振荡频率和振荡角度的无级变化, 基于设计的电子外触发装置实现了对动态流场的实时测量, 实现了风洞来流、模型角位移和动态压力数据的同步采集, 分别开展了翼型静态测压、俯仰/横摆动态测压、粒子图像测速和荧光丝线等试验研究, 试验结果准度较高、规律合理; 分析了动态试验洞壁干扰影响机制. 研究表明, 横摆振荡翼型的气动曲线也存在明显迟滞效应; 随着振荡频率升高, 翼型俯仰和横摆振荡下的气动迟滞性均增强; 翼型俯仰振荡正行程的动态失速涡破裂有所延迟; 洞壁与模型端部交界处的强三维效应对翼型压力分布影响较大; 建立的横摆振荡试验技术可为风力机动态掠效应的研究提供技术支撑.      

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

Aeroelastic analysis of large horizontal wind turbine baldes

A nonlinear aeroelastic analysis method for large horizontal wind turbines is described. A vortex wake method and a nonlinear finite element method (FEM) are coupled in the approach. The vortex wake method is used to predict wind turbine aerodynamic loads of a wind turbine, and a three-dimensional (3D) shell model is built for the rotor. Average aerodynamic forces along the azimuth are applied to the structural model, and the nonlinear static aeroelastic behaviors are computed. The wind rotor modes are obtained at the static aeroelastic status by linearizing the coupled equations. The static aeroelastic performance and dynamic aeroelastic responses are calculated for the NH1500 wind turbine. The results show that structural geometrical nonlinearities significantly reduce displacements and vibration amplitudes of the wind turbine blades. Therefore, structural geometrical nonlinearities cannot be neglected both in the static aeroelastic analysis and dynamic aeroelastic analysis.     

A brief review on wind turbine aerodynamics

This article briefly reviews wind turbine aerodynamics, which follows an explanation of the aerodynamic complexity. The aerodynamic models including blade momentum theory, vortex wake model, dynamic stall and rotational effect, and their applications in wind turbine aerodynamic performance prediction are discussed and documented. Recent progress in computational fluid dynamics for wind turbine is addressed. Wind turbine aerodynamic experimental studies are also selectively introduced.     

Dynamic wind loads and wake characteristics of a wind turbine model in an atmospheric boundary layer wind

An experimental study was conducted to characterize the dynamic wind loads and evolution of the unsteady vortex and turbulent flow structures in the near wake of a horizontal axis wind turbine model placed in an atmospheric boundary layer wind tunnel. In addition to measuring dynamic wind loads (i.e., aerodynamic forces and bending moments) acting on the wind turbine model by using a high-sensitive force-moment sensor unit, a high-resolution digital particle image velocimetry (PIV) system was used to achieve flow field measurements to quantify the characteristics of the turbulent vortex flow in the near wake of the wind turbine model. Besides conducting “free-run” PIV measurements to determine the ensemble-averaged statistics of the flow quantities such as mean velocity, Reynolds stress, and turbulence kinetic energy (TKE) distributions in the wake flow, “phase-locked” PIV measurements were also performed to elucidate further details about evolution of the unsteady vortex structures in the wake flow in relation to the position of the rotating turbine blades. The effects of the tip-speed-ratio of the wind turbine model on the dynamic wind loads and wake flow characteristics were quantified in the terms of the variations of the aerodynamic thrust and bending moment coefficients of the wind turbine model, the evolution of the helical tip vortices and the unsteady vortices shedding from the blade roots and turbine nacelle, the deceleration of the incoming airflows after passing the rotation disk of the turbine blades, the TKE and Reynolds stress distributions in the near wake of the wind turbine model. The detailed flow field measurements were correlated with the dynamic wind load measurements to elucidate underlying physics in order to gain further insight into the characteristics of the dynamic wind loads and turbulent vortex flows in the wakes of wind turbines for the optimal design of the wind turbines operating in atmospheric boundary layer winds.     

复杂大气入流下海上风机力学特性研究

随着风能技术的不断进步, 风机叶片逐渐向大型化发展, 这使得真实复杂大气入流对风机运行性能的影响愈发显著. 为研究真实复杂大气入流下海上风机的力学特性响应, 利用基于大涡模拟的域前模拟方法生成复杂大气入流, 并结合致动线模型模拟风机叶片, 对中性复杂大气入流下海上固定式风机进行数值模拟, 重点分析风机的气动性能及转子和叶片根部的力学特性, 并与均匀入流计算工况进行对比. 计算结果表明, 中性复杂大气入流中的大尺度低速气流团使得风机气动功率输出值在较长一段时间处于较低水平, 此外, 中性复杂大气入流的高湍流强度特征使得风机气动功率的变化幅值和标准差较均匀入流工况大幅增加; 风机轴向推力的标准差值增加到均匀入流的53倍, 中性复杂大气入流的来流流场扰动引起偏航力矩的最大值、均方根和标准差分别增加到均匀入流的10、4.4和4.3倍; 速度垂向分布的不均匀性以及轮毂高度附近的大尺度低速羽流结构导致摆振剪力和弯矩的标准差响应值分别为均匀入流的2倍和4.6倍.      

漂浮运动对风力机气动特性的影响分析

海上浮式风机为蕴藏丰富的深海风能开发提供了有效的解决方案,浮式基础存在的大幅度纵荡、纵摇和艏摇运动可以改变风轮与流场间的相互作用,从而影响风力机的气动特性。基于叶素-动量理论及其修正方法,以NREL 5MW风力机为研究对象,考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响,提出了风载荷的计算模型,通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率,并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响。结果表明,纵摇对其功率特性影响最大,这为海上浮式风机的优化设计提供理论依据与数据基础。     

Progresses in application of computational fluid dynamic methods to large scale wind turbine aerodynamics

The computational fluid dynamics (CFD) methods are applied to aerodynamic problems for large scale wind turbines. The progresses including the aerodynamic analyses of wind turbine profiles, numerical flow simulation of wind turbine blades, evaluation of aerodynamic performance, and multi-objective blade optimization are discussed. Based on the CFD methods, significant improvements are obtained to predict two/three dimensional aerodynamic characteristics of wind turbine airfoils and blades, and the vortical structure in their wake flows is accurately captured. Combining with a multi-objective genetic algorithm, a 1.5 MW NH-1500 optimized blade is designed with high efficiency in wind energy conversion.