风力机黏性无黏耦合气动模型研究

三维面元法利用面网格实现三维势流流场的求解,不但可以准确地计算压力系数分布等叶片三维流场信息,又不需要耗费过多的计算时间,为分析风力机三维流场提供了有效的途径。边界层模型可以有效地计算近壁黏性区,从而补充面元法的不足。基于三维面元法和二维边界层模型建立黏性无黏耦合模型,并以Joukowsky翼型为案例验证面元法模型准确性。利用黏性无黏耦合模型对NREL Phase Ⅵ风力机叶片的三维流场进行了具体的分析。计算结果表明黏性无黏耦合模型具有效率高计算准确等特点,适合于风电叶片气弹耦合问题的研究。     

水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究

本文采用Fluent软件对半径0.7 m,翼型NACA4415的水平轴风力机的三维非定常尾迹流场进行了大涡模拟(LES)计算,计算结果表明:轴向速度分布相对于尾迹中心不对称,同一风速下,在靠近叶根圆周区域,距离风力机旋转平面2R处风力机轴向速度达到最小,由2R~3R区域逐渐过渡,然后增大最终恢复周围环境速度;而在靠近叶尖的圆周区域,在距风轮旋转平面1R处达到最小值,由1R~2R区域逐渐过渡,最终达到周围环境速度;中心涡对尾流影响的长度要大于叶尖涡对尾流长度的影响。尾流区不仅存在叶尖涡和中心涡,还存在叶片尾缘涡;低风速对尾流长度的影响要小于高风速。     

基于FlowVision的水平轴风力机偏航气动性能研究

为了能够准确的分析偏航条件下风力机的气动性能变化规律,本文应用FlowVision模拟了轴向来流和偏航下水平轴风力机气动性能的变化规律,并以TJ(?)EREBORG风力机为例进行验证,确认了数值分析的可靠性;在偏航风速条件下,数值计算结果可以很好地反映偏航下气动特征,偏航导致叶片气动性能和载荷分布的周期性波动,波动趋势近似余弦曲线,尾迹存在较为明显的偏斜现象。     

基于遥测技术的风力机叶片动态应变特征实验研究

采用旋转机械应力应变无线遥测技术,在直流式低速风洞开口段对风力机叶片运行状态中的应力应变特性进行了实验研究,结果表明:在相同尖速比下,叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小,随着风速的增加,压力面的应变值增加幅度大于吸力面,叶根处应变增加幅度大于叶尖,并在0.55R到0.75R段应变拟合曲线略微凸起,主要是气动力在该截面区作用的效果;在相同风速下,叶片各截面沿展向向外位置增加应变值逐渐减小,且各截面的应变值随着尖速比的增加而增大,叶根较叶尖增加幅值更明显,叶根部位所受离心力增加较快;相同翼面处前缘点的应变值大于后缘点的应变值。为开展大型风力发电机组叶片动态应变检测积累了可鉴借的经验。     

温度体动网格模型中控制参数的研究

采用调整导热系数和源项分布的方式,对温度体动网格模型所生成的网格品质进行控制.温度体动网格模型将运动边界的位移虚拟为求解域的温度边界条件,以流体能量方程或固体导热方程作为控制方程,通过选取不同的导热系数或源项分布可以得到适合不同求解问题需要的温度分布,并将求解得到的网格节点的温度作为其动态位移量.采用温度体动网格模型计算平动、三维旋转运动、柔性体运动等流固耦合计算中可能涉及的动网格算例.结果表明,在计算效率和生成网格的品质方面,与已有的动态网格生成方法相比,具有较大的优势,可以有效解决流固耦合数值模拟中存在的动态网格生成难题.     

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。     

湍流模型对风力机叶片气动性能预估的影响

本文采用计算流体力学软件Fluent,选取单方程Spalart-Allmaras模型、两方程低雷诺数k-ε模型和SSTk-ω模型等不同湍流模型,对NREL Phase VI风洞测试风力机的无偏航工况进行CFD模拟.通过将数值计算结果与相应的实验数据进行比较,发现在叶片表面为附着流时三种湍流模型数值模拟的结果都与实验数据吻合得很好,而在失速情况下两方程湍流模型的表现要优于单方程模型,其中以SST k-ω模型对截面压力分布、转矩等的预测更加准确.     

S型叶尖小翼对风力机流场特性影响的研究

在额定尖速比下,结合滑移网格的大涡模拟方法,对有无叶尖S型小翼的三叶片水平轴风力机流场特性进行了数值研究,结果表明:加装S型小翼后,改善了风轮上游的速度及压力分布情况,汲取了更多的风能;风轮压力面及吸力面的最大压差由1359 Pa提高到1756 Pa,使风轮功率放大;叶尖涡结构扩展规律与PIV(Particle Image Velocimetry)实验结果一致,叶尖涡轴向速度由15.6 m/s降低到了13.3 m/s,涡漩能量减少,叶尖涡涡量强度减弱,降低了气动噪声。     

基于SONAH的水平轴风力机风轮噪声源识别

将统计最优近场声全息(SONAH)技术运用于小型水平轴风力机风轮噪声源识别中,采用近场声全息技术以弥补远场波束形成技术对低频段声源识别精度低的缺点。利用BK公司的60通道圆形声阵列对运行中的水平轴风力机在不同工况下进行声场信息采集分析,分析了噪声总声功率级的分布特征以及噪声源位置的分布规律。分析结果表明:风轮旋转时,以200 Hz以下的旋转噪声为主导,噪声源能量最大区域主要集中在叶片中部(r/R=0.5附近),并随着频率的增大,声源沿旋转面径向方向由叶片中部逐渐向叶尖分散。     

φ型风力机空气动力学特性研究

本文采用均匀多流管模型和多流管模型,建立了基于Troposkien曲线的Φ型垂直轴风力机气动性能的计算方法和程序。在多流管模型中加入了附加阻力系数修正和动态失速修正,提高了计算精度。分析了流管数目对流管模型计算结果,以及实度和高径比对Φ型风力机空气动力学特性的影响。     

水平轴风力机叶尖涡流动的PIV测试

在风洞开口实验段,针对不同尖速比应用PIV技术对风轮附近1/3圆周内的瞬时速度场进行测试。随着尖速比的增加,叶尖涡运动的径向位移增大,涡流诱导效应区域半径扩大,使整体尾迹半径增大;同时,尖速比增加使尾迹轴向速度亏损增大,叶尖涡运动的轴向位移减小。叶尖涡诱导效应与风轮旋转的相互作用使风轮附近形成强速度梯度区域,诱导效应延伸到风轮上游,激励叶片产生不同的振动形态,使叶片上脱落的叶尖涡结构在尾迹中出现波动,越向下游运动波动越强烈。通过叶尖涡核位置平均发现,在10°～120°方位角尾迹区域内,涡核运动轨迹与方位面交点的连线近似为直线,且该线的斜率随着尖速比的增加而增大。     

叶片弯掠对风力机气动性能的影响

叶片形状的变化对叶片的气动性能有着显著的影响,采用合理的叶片形状可以有效地提高叶片的气动性能。本文采用带自由尾迹的升力面法,研究了风力机叶片的弯掠对风力机整体气动性能的影响。预测结果显示采用前后掠的叶片在一定程度上改变风力机的风能利用系数。使用后掠叶片使叶片在中后段部分所受升力小于前掠叶片上对应升力,而在叶片前端所受升力大于前掠叶片上对应升力,同时使用后掠叶片将在一定程度上增加风力机风能利用系数,而使用前掠叶片则减少风力机风能利用系数。采用上弯或下弯形式的叶片同样也会在一定程度上提高风力机的风能利用系数。     

风力机叶片三维速度场PIV测量及数值模拟研究

采用PIV测速技术,对水平轴风力机在尖速比为7.0的轴流工况进行风洞测量,获得不同叶高处翼型截面的高保真三维速度场;同时,采用OpenFOAM对风力机该工况进行数值模拟,实验结果验证数值模拟的准确性。结果表明对于轴向、切向和径向速度,CFD与实验测量有较好的一致性;对比了叶素动量理论、无黏面元法和CFD等气动模型对叶片载荷的预测结果,并与从PIV速度场推导出的气动力进行比较。结果显示CFD比BEM和面元法更准确地预测叶片载荷,BEM和面元法因为叶尖损失模型和无黏假设等原因对叶尖处载荷预测失效。     

水平轴风力机动态来流条件下翼型气动特性的数值分析

动态来流条件下,水平轴风力机的功率输出可增加30%～50%.本文通过量纲分析,确定影响水平轴风力机翼型动态来流条件下气动特性的主要参数为特征频率fr和雷诺数Re.运用CFD方法对NREL S825翼型在不同fr数和Re数条件下,进行了气动特性的对比.结果表明在动态来流条件下,低Re数对翼型特性影响较小,而fr数是影响翼型性能的关键.     

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。     

上风型水平轴风力机塔架干涉的数值模拟

本文对NRELPhase VI上风型风力机叶片和塔架之间的干涉流动进行了三维非定常数值模拟。所有计算算例均采用ICEM-CFD划分的六面体网格,文章模拟计算了包括有无塔架两个模型分别在7,10和20 m/s三个来流速度下的6个算例。模拟结果发现,扭矩在180°方位角附近有瞬时突变的过程,但该波动值相对于整体性能影响较小,同时发现随着风速提高,塔架干涉的影响存在一个滞后的现象。在叶片经过塔架时,引起的截面流场和载荷的变化规律,为流场的优化提供参考。     

基于超磁致致动器的车削振动主动控制

设计了一种基于模糊PID控制器和超磁致伸缩致动器的车削振动主动控制系统,推导了超磁致伸缩致动器和专用刀架的数学模型,并在Matlab环境下进行建模仿真,当振动频率在50~100 Hz时,仿真结果表明该控制系统能抑制振幅达50%以上;在现场车削试验中,以普通45#钢为车削工件,分别在转速1 500 r/min、车削深度为0.07 mm和转速3 000 r/min,车削深度为0.04 mm下,对车削振动进行主动控制,结果证明所设计的车削振动控制系统能够抑制振动幅度达30%以上。     

基于风特性和小型风力机的组合风速模型建立

小型风力发电系统中输出功率的波动会影响电能质量和设备使用寿命,风速是风轮输出功率波动的主要影响因素之一,建立适合小型风力机的组合风速模型,以便于研究小型风力发电系统输出功率波动的机理。本文综合考虑风特性和机组自身特性建立风速模型,不仅有基本风、阵风、渐变风和随机风,还加入风剪效应和塔影效应的影响,并利用Matlab-Simulink软件仿真。通过与实测风速数据对比,验证了该组合风速模型仿真实际风速的有效性,为小型风电系统输出特性的定量模拟研究以及凭借仿真数据进行小型风电系统输出功率波动抑制的研究提供理论依据。     

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。     

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。