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。     

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。     

预弯对风力机叶片变桨力矩影响的分析

本文基于动量-叶素理论推导了预弯式风力机叶片气动变桨力矩的定性表达式,分析了在理想优化条件下力矩的变化趋势,与直叶片进行了比较,并采用FOCUS商业软件进行了计算分析。结果表明,在正常攻角范围内,气动变桨力矩与桨距角增大方向一致,叶片预弯可以在一定程度上增大气动变桨力矩,从而减小总体变桨力矩。     

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。     

离体射流的位置对翼型气动特性的影响

为了改善风力机叶片流动分离现象,本文在雷诺数为1×106、来流攻角21°时研究了离体射流微小圆柱的分布位置对NACA0018翼型气动性能的影响.首先分别在翼型前缘前和上表面附近,研究离体射流微小圆柱的射流动量对翼型气动性能的影响,发现两种位置下翼型的气动性能都有所改善,其中上表面附近控制时效果更好;接着研究控制装置在上...     

涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响

为了深入研究风力机叶片的减阻方法及效果,本文探讨了涡流发生器对风力机专用翼型的气动性能的影响。研究对象为直叶片段,涡流发生器安装在叶片段20%弦长处,并采用CFD方法对光滑叶片段及安装涡流发生器后的叶片段分别进行了模拟,得到了翼型的气动特性曲线。对比14°攻角下的两种情况的流动特性,发现在大攻角的情况下,涡流发生器确实能够推迟流动分离,从而极大地减小翼型的阻力,并且增大了翼型的最大升力系数;其次,本文分析了涡流发生器对叶片段表面压力分布的影响,发现涡流发生器对下游方向的影响明显大于对上游区的影响,这一点与涡流发生器搅乱下游流场的作用是一致的;最后,本文分析了涡流发生器控制流动分离的机理。     

一种叶片前缘前带微小圆柱的垂直轴风力机

本文提出了一种通过在叶片前缘前设置微小圆柱来抑制叶片上流动分离的控制方法,并对采用此流动控制方法后的升力型垂直轴风力机的气动性能进行了数值研究。结果表明,在大攻角情况下,翼型前缘前设置微小圆柱可以有效地抑制风力机叶片上的流动分离,得到增升减阻的效果;同时,与传统的升力型垂直轴风力机相比,前缘前设置微小圆柱后的垂直轴风力机在低尖速比下的风能利用率可得到大幅度的提高。     

大厚度钝尾缘翼型的设计研究

本文研究了MW级水平轴风力机叶片内侧翼型的设计准则,采用混合设计方法得到了四种适用于该部位的大厚度钝尾缘翼型:依据一个5 MW风力机的运行特征和性能需求,在不同的设计雷诺数下,以翼型在运行攻角范围内的升力水平为主要气动目标,以升力随雷诺数变化的稳定性为主要约束。RFOIL预测表明,在15°~30°攻角之间,四种翼型的升力系数大致从1.0以近似线性方式增加到1.7,升力曲线随着雷诺数变化稳定,具有良好的变工况特性。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究EI北大核心CSCD

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

基于自由涡的风轮失谐气动特性研究

采用一种改进的自由涡方法研究了风切变条件下,叶片安装角存在偏差的失谐风轮的气动特性。计算方法由模拟叶片气动力的非线性升力线法和模拟尾迹涡运动的时间精确自由尾迹法构成。以某2.5 MW风力机为例,计算了功率曲线和叶片气动力分布,并与Bladed软件和CFD计算结果进行了比较。研究了切变风条件下,不同叶片安装角偏差量,风轮推力、扭矩、偏航力矩和俯仰力矩的变化。结果表明,所采用的计算方法是准确有效的。风轮叶片安装角偏差,对风轮推力和扭矩影响较小,对风轮偏航和俯仰力矩影响较大。不同叶片安装角偏差量相反,会显著增加风轮偏航和俯仰力矩波动。     

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。     

大型风力机叶片非线性气弹模型

大型柔性叶片在实际运行过程中存在明显的几何非线性变形问题.本文基于自由涡尾迹方法,与FAST进行耦合建立了完善的风力机叶片气弹模型.并通过NREL Phase Ⅵ风力机对气动部分进行了验证,最后用耦合后的气弹模型对两种极端工况进行了数值仿真.结果表明,自由涡尾迹方法能够更好的模拟风力机叶片的气动变化过程.耦合后的气弹模...     

风力机翼型在失速工况下非定常流场的本征正交分解分析

风力机气动性能受静态失速与动态失速影响很大,对风力机翼型的失速问题研究具有重要意义。本文通过计算流体力学方法得到的风力机翼型在固定大攻角工况,以及大攻角震荡工况下的非定常流场,来研究翼型静态失速与动态失速。采用本征正交分解方法(POD),对非定常流场降阶,得到流场的POD模态以及对应的系数。POD模态结果表明在静态失速下,主要非定常流动结构是尾迹区域交替脱落的涡结构;在动态失速下,除了尾迹区域,前缘和整个吸力面都存在流动分离结构。     

涡与叶片间的作用对Savonius型风力机性能的影响

风能是我国发展最快的可再生能源.萨沃纽斯(Savonius)风力机是一种典型的垂直轴式风力机,具有结构简单、自启动性能好等优点,但是其能量转换效率较低,最佳叶尖速比在1左右,最佳风能利用率可达到20%。本文对不同尖速比下的Savonius型风力机的气动性能进行了模拟研究,并从涡的观点比较和分析了Savonius型风力机的性能规律,结果表明流场中的涡结构对叶片的作用可显著影响Savonius风力机的性能.     

叶顶端翼提升主动襟翼叶型气动性能的数值研究

本文在振荡来流条件下,数值模拟叶顶端翼对加装主动Gurney襟翼的垂直轴风力机叶片非定常气动特性的影响。采用NACA0015翼型的直叶片,并在尾缘前6%弦长位置安装主动襟翼。在最大出力工况(折合频率为0.1)下,对比原型叶片,加装主动襟翼叶片的切向力系数提高了4.47%,安装有叶顶端翼的主动襟翼叶片的切向力系数提高21.18%。通过比较叶片端部涡结构分布,发现叶顶端翼不仅阻止了叶片压力面及吸力面的叶梢涡分支在尾缘处汇合,同时也隔断了主动襟翼产生的角涡与叶梢涡的融合,有效的降低了叶片端部损失,提升了风力机的整体性能。     

带翼型围带涡轮叶栅冲角适应性的实验与数值研究

针对一新型翼型围带结构,通过数值计算验证其相对于全周小翼结构在改善涡轮叶栅气动性能的优势。在此基础上,结合实验与数值模拟分析了带此翼型围带涡轮叶栅的冲角适应能力。结果表明,翼型围带可在全周小翼基础上进一步削弱泄漏涡与通道涡强度,使涡轮叶栅下游流场更为均匀;冲角变化主要影响叶片表面前半部分的静压系数,冲角增加,中径与近叶顶区域的横向压差增大,导致通道涡强度增加;由于冲角变化对泄漏涡生成发展的通道后部区域的静压改变不大,所以泄漏涡对冲角的敏感性不强;基于负冲角可改善涡轮叶栅气动性能的结果,文章最后对多组大负冲角下的叶栅性能做了数值研究,发现冲角小于一定值时,压力面流体分离严重,导致-80°冲角的总压损失甚至高于+10°冲角。     

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。     

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。     

垂直轴风力机翼型动态气动特性研究

目前针对垂直轴风力机翼型动态气动特性研究尚缺乏充分的实验数据支持,本文基于Qing'anLi等的风力机实验对翼型动态气动特性展开研究。根据叶片切向力系数与法向力系数的实验数据,基于叶素理论,处理得到三种尖速比下NACA0021翼型的升阻力系数与方位角、攻角的关系曲线。研究结果表明;翼型的动态气动特性显著异于静态气动特性。不同尖速比的动态气动特性十分相似。攻角处于正攻角上升态时,失速起于43°,完全失速发生在52°,最大升力点在47°;升力系数变化趋势为近似的线性上升、线性下降;阻力系数经历近似的零保持、线性上升、陡然上升、峰值保持四个阶段。     

薄翼非定常气动力的涡方法计算

采用基于势流理论的涡方法,计算小扰动流场下薄翼的非定常气动特性。在中弧线和尾迹上布置涡量,建立两个控制方程和两个边界条件,数值求解薄翼的涡量分布并计算非定常气动力。将该方法用于二维平板绕流问题,计算了阶跃攻角和阵风两种工况,获得平板的涡量分布和非定常升力系数,结果与解析解Wagner函数和K(u|¨)ssner函数对比,证明了涡方法的准确性;最后采用ARMA降阶模型对涡方法的结果进行系统辨识,证明了ARMA降阶模型的有效性。以上研究将用于预测风力机非定常气动性能和气动弹性的分析。