极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究EI北大核心CSCD

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

不同传感信号对风电叶片载荷智能控制影响研究

本文在自主搭建的DTEF(柔性尾缘襟翼)"智能叶片"仿真实验平台的基础上,讨论了三种不同传感信号方案,即信号来自叶片挥舞方向加速度,叶尖位移和叶根挥舞力矩,对控制效果影响。首先,本文分析了四组不同位置处加速度信号对控制效果的影响,接着对比了三种传感器信号方案的优劣,最后详细分析了相关流动控制机理。通过详细的讨论,本文得出结论:1)由于复杂流动分离和变桨作用,导致风力机叶片在Ⅱ区运行时选取加速度传感信号越靠近叶尖,控制效果越差,与Ⅲ区运行时相反;2)三种传感器信号方案中,选取叶根挥舞力矩为传感信号时控制效果最佳,相比原有主机控制最大降低载荷12.0%~22.5%;3)DTEF的作用扰乱了控制前叶片流动-结构间较好的同步性,削弱了叶片系统间的气弹耦合作用,从而有效地减少了叶轮受载。     

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。     

柔性尾缘襟翼参数影响及流动机理研究

本文选取U_(hub)=8 m/s和U_(hub)=16 m/s两种典型风况,在自主开发的柔性尾缘襟翼(DTEF)智能叶片整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,首先详细探讨了襟翼具体参数变化对控制系统降载效果的影响。最后,选取了一组典型参数,并在此基础上探讨了两种风况下降载背后的流动控制机理。通过参数分析发现:不同风况下,襟翼位置变化对控制效果的影响略有变化;通过机理分析发现:尾缘襟翼控制有效的原因在于其减弱了流体与叶片之间的流固耦合作用。     

风切变对风力机气动载荷的影响

本文依据指数律的风速分布曲线,采用CFD方法对切变入流情况下风力机的三维非定常气动特性进行了模拟。研究发现风切变指数的大小对叶片整体载荷有着较大的影响,当风切变指数值由0.15增至0.25,载荷波动振幅增大了约60%。并且,气动载荷的波动曲线相对叶片方位角存在一定的相位滞后,在靠近叶根位置这种非定常特性尤为明显。     

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。     

变速变桨控制水平轴风力机桨距角优化

在高海拔地区,空气密度降低使风的能量密度降低。为了捕捉尽可能多的风能,一个方法是增大风轮的扫风面积,即增加叶片的长度;另一个方法则是对风力机的控制,尤其是对风及桨距角的变化进行调整。风力机叶片在设计时桨距角为0°,即在设计点,其功率系数C_P为最佳值。而在非设计点,0°桨距角下的CP则并非最佳值。本文针对传统变速变桨控制的水平风力机的桨距角进行优化,在额定风速前的每个风速下保证其C_P都是最佳值,以提高整体发电量。选取某款1.5 MW 42 m叶片进行对比计算,得到最优桨距角变化曲线,并用拟合得到桨距角变化曲线。并分别取3000 m和4000 m海拔高度处空气密度进行优化前后功率曲线及理论年发电量(AEP)的计算,结果显示,在额定前的CP提高最多,且海拔越高,空气密度越低,桨距角优化的效果越明显。本文仅考虑了气动方面效率的提高,该桨距角控制方式对于风机叶片极限载荷和疲劳载荷的影响还需要进一步探索。     

仿鲸鱼鳍翼型动态气动力载荷控制研究

本文将仿鲸鱼鳍前缘结构应用于风力机翼型,通过风洞实验,对动态翼型气动力进行测试,分析仿鲸鱼鳍前缘结构对风力机翼型气动力载荷的控制效果。通过实验得出以下结论:1)仿鲸鱼鳍前缘结构改善了风力机翼型静态气动力特性;2)仿鲸鱼鳍前缘结构改善了翼型动态失速特性,降低叶片极限载荷的产生;3)仿鲸鱼鳍前缘结构降低翼型动态气动力载荷的波动特性,有助于降低叶片疲劳载荷,提高叶片运行的稳定性。     

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。     

大型海上风电叶片载荷智能控制研究

近年来海上风电机组大型化已成为风电行业主要发展趋势之一。与此相应,柔性大变形风电叶片气弹效应将更加增强,致使叶片乃至整机载荷更大,严重危及机组的安全、可靠运行。为此,本文根据国际叶片载荷控制新概念—"智能叶片",系统地总结了团队过去相关气动-伺服-弹性模型构建、系统在通常和极限风况下可靠性与参数影响等工作和取得的进展,并在此基础上,在国际上首次揭示了气弹耦合控制机理。这些成果的取得为未来大型海上风电机组叶片和机组优化设计提供了有价值的理论依据。     

转速对弯掠轴流风机气动噪声的影响分析

针对弯掠轴流风机气动噪声问题,采用大涡模拟(LES)和基于Lighthill声类比的FW-H模型相结合的方法进行非定常计算,通过快速Fourier转换(FFT),得到风机远场气动噪声声压级分布。对比研究了三种转速下旋转区内声压级分布规律、时域及频域特性,结果表明:旋转区域内声压级随转速增加而增大,前缘分离涡在某一转速时影响区域和强度最大;在一个旋转周期内,声压脉动呈现出6个波峰与波谷,验证了叶片转动频率是风机内部气动噪声的主要激励频率.     

考虑风剪切的漂浮式风力机气动特性研究

波浪与风载的共同作用下,海上风电机组平台存在多自由度运动,同时伴随着海上复杂的风况,其气动特性变化较为复杂。以NREL5MW风电机组为研究对象,在风剪切来流下,依据波浪和风载的作用规律,研究平台纵摇和纵荡运动对机组气动特性和绕流场细节的影响。结果表明:平台运动会造成风电机组气动性能的周期性波动,而风剪切作用使得风电机组平均发电量降低并加剧功率和推力的波动。风剪切会增大纵摇运动过程中展向截面的法向载荷幅值且波动加剧,但会降低与功率输出有关的切向受力;风剪切作用推迟了纵荡运动过程中展向截面法向和切向载荷峰值出现时刻,加剧载荷的波动。外叶展截面的法向和切向力系数曲线出现平台,加剧了叶片疲劳载荷,减小了功率输出。     

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.     

结构性改变长周期光子晶体光纤光栅成栅机理研究

详细分析了光子晶体光纤包层气孔塌缩对光纤传输特性的影响,建立了包层气孔塌缩结构模型,利用有限元法和局域耦合模理论对环形结构改变下形变区域的有效折射率分布和模式耦合系数进行了计算,得到了调制区域各模式的有效折射率和耦合系数分布.研究了基模和包层模的耦合规律,得到了纤芯基模(LP01)和包层模(LPll,LP02)耦合下的...     

横流风机轴向交错叶轮的噪声研究

本文研究了横流风机轴向交错叶轮的气动及噪声特性。首先进行了横流风机的气动性能实验并开展数值解析。用数值解析得到的固壁表面脉动压力进行噪声预测,噪声预测模型采用Farassat 1A方程。在预测过程中对叶轮交错角做出假设,转化成各节叶轮流场的时间延迟,并考虑了风机轴向长度带来的影响。计算结果给出了单一叶片周向旋转噪声辐射的分布情况,分析了噪声源的位置和机理。预测的远场声压从时域和频域与相应的五种具有不同轴向交错角度叶轮的实验结果相验证,揭示了风机的叶片通过频率噪声随叶轮交错角度的变化规律。     

风速对液氮冷藏车内温度的影响

采用对比实验,分析不同风速对液氮冷藏箱体内温度分布及降温速率的影响。研究结果表明:单排喷嘴间距0.5m工况下,随着风机风速增大,温度分布方差减小,降温速率降低,冷藏厢体内温度分布均匀性增强,冷藏厢体强制对流换热效果越明显。     

多翼离心风机气动噪声的数值分析

多翼离心风机叶片短、流道窄,叶轮出口流速分布不均,引起叶轮与蜗壳干涉作用加剧。本文探讨流场与声场非定常耦合机理,根据声类比理论分析其偶极子声源产生的气动噪声。利用直接边界元声学求解方法建立以蜗壳为界的内外声学模型,分析蜗壳对声传播的散射作用,内部噪声通过蜗壳的进出口传播到风机外部。结果表明:从监测点声压级频谱及A计权声压级分布观察,声压级分布在低频段呈宽频分布,在基频与其倍频处出现波峰并呈逐渐衰减趋势,说明该多翼离心风机气动噪声受叶片周期性旋转压力脉动影响较大。对比噪声测试结果,相对误差为2%以内,分析计算与试验相符。     

数值模拟不等距叶片对贯流风机的影响

贯流风机的通过频率(BPF)是其重要的噪声频率.降低BPF噪声可以降低基频处的声压级,其中一种方法是采用不等距叶片.本文采用3种叶片距分布形式,采用realizable k-ε两方程和大涡模拟(LES)湍流模型模拟了风机的内流场,计算线性欧拉方程(LEE)中声源项得到声源位置及强度,采用基于Lighthill声类比的FW-H积分方程获得了叶轮和蜗舌处偶极子型的离散噪声频谱.比较了不同叶片距对风机性能,噪声特别是BPF噪声的影响.计算结果表明在对性能影响较小的情况下,不等距叶轮可降低BPF噪声和总A声级噪声.     

切变来流下风力机叶片应力耦合性分析

针对水平轴风力机叶片工作过程中产生裂纹、断裂等疲劳损伤问题,结合风资源数据和风力机的结构参数,将不同风切变函数的自然风来流条件编译成UDF函数对Fluent软件进行二次开发,分析两种翼型(NACA4415翼型和S翼型)风力机叶片的应力分布规律。结果显示:切变来流风速不同时,在气动力、离心力和重力耦合作用下,两种叶片从垂直向上方位按照顺时针旋转至30°位置时应力值最大,且叶片最大弦长截面靠近无因次弦长位置x/C=0.4应力值最大,NACA4415翼型叶片气动中心线(x/C=0.25)处应力沿翼展方向先增大(r/R=0.49最大)后减小,而S翼型叶片沿气动中心线逐渐减小;在相同切变来流风速下,S型叶片的截面尺寸相对较大,气动力、离心力和重力均大于NACA4415型叶片,其应力值也较大;关键位置气动中心线处的应力值较叶片前缘、后缘以及叶背最高处位置的应力都大。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化具有重要的参考价值。