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。     

H型风力机叶片桨矩角影响的数值分析

本文采用笛卡尔动网格数值模拟方法,研究叶片桨距角变化对三叶片H型垂直轴风力机气动性能和二维非定常黏性流场的影响。采用SST湍流模型,桨矩角变化范围为-12°-2°,叶尖速比为1.86,2.15,2.27。比较了不同尖速比时风能利用系数随桨矩角的变化,揭示了桨矩角不同时单个叶片和风力机总载荷沿周向的变化规律,讨论了一个旋转周期内桨矩角变化对二维非定常涡量场的影响。     

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。     

基于RBF模糊神经网络的垂直轴风力机设计

半转结构垂直轴风力机具有优良的空气动力特性,为了进一步提高风电系统输出电能的质量,在RBF神经网络与模糊逻辑系统的函数等价条件下,探索了基于T-S模糊模型的RBF模糊神经网络控制算法,并依此设计出两叶结构半转式垂直轴风力机控制器;通过与常规PID控制算法的仿真比较,表明基于T-S模型的RBF模糊神经网络控制算法在两叶结构半转式垂直轴风力机的恒转速控制方面具有一定的优越性。     

5kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机优化设计

本文详细介绍了5 kW遮蔽-增速垂直轴风力机的结构特点及主要参数。利用正交优化设计方法,采用计算流体力学软件,针对5 kW风力机,在叶片个数和遮蔽板安装位置半径一定的情况下,对翼型弦长、叶片转动扫掠面的半径、风轮旋转速度、遮蔽-增速板个数、遮蔽-增速板与叶片间的气动间隙以及遮蔽-增速板的安装角六个参数进行优化计算,找出一组最佳设计参数,进而设计出5 kW遮蔽-增速升力型垂直轴风力机,并对设计出的有遮蔽板与无遮蔽板两类型风力机的变工况特性进行比较分析。     

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。     

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。     

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。     

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。     

开缝式风力机静态失速特性的研究

本文通过数值模拟的方法,研究了三种开缝方案对风力机静态失速特性的影响,模拟结果表明,开缝式风力机静态失速特性较为平坦,风力机开缝对静态失速进行控制的方法是可行的,由下风面到上风面开缝的方案在多冲角工况下有较好的静态失速特性.开缝结构的吸气口具有堵塞效应,排气口的排气会明显干涉来流的流动,因此开缝方向和开缝口处的形状对开缝效果的影响显著.     

漂浮式风力机动态响应特性研究

漂浮式风力机是一种新型风力机。在海上风和波浪的综合作用下,机组的运动和气动特性参数将产生显著的动态变化,即动态响应。本文利用气动、水动、控制、结构完全耦合的风力机模拟软件,对三种典型漂浮式风力机在不同的风和波浪条件下的动态响应进行了计算和分析,结果表明:不同类型漂浮式风力机的动态响应差别很大,但纵荡运动始终是最主要的运动形式,纵荡平衡位置主要受风速的影响,而纵荡振幅主要受浪高的影响;漂浮式风力机的平均功率相对固定式风力机的稳态值基本不变,但平均载荷有较大程度的增加。     

水平轴风力机结构动力学分析

本文以水平轴风力机为研究对象,基于动量-叶素理论和广义坐标系下的多自由度拉格朗日方程,利用模态分析方法建立了风轮、机舱和塔架耦合系统的运动方程,并用FORTRAN语言编制仿真程序.对风力机Turbowinds T600-48的固有频率和动态响应特性进行计算,并与实验数据对比分析,初步结果表明该程序的有效性.     

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%.     

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。     

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。     

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.     

风力机叶尖加小翼动力放大特性实验研究

本文在风力机的叶尖上通过添加V型平板小翼实验,提高了风力机的输出功率.在风洞实验研究中,进行了不同长度和宽度,不同前张角和后张角小翼的探索.实验表明小翼对风力机在一定尖速比λ范围内可以提高功率系数cp值.     

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。