风力机叶片气动载荷研究方法探究

在风力机叶片气动载荷计算方法方面,CFD方法耗时较长,不适合载荷快速评估的需要。动量叶素理论方法以二维翼型气动数据为依据,结合经验公式进行计算,但无法给出载荷分布的具体信息。为了探索高效、准确的载荷评估方法。本文针对风切变入流条件,采用非定常求解方法进行二维叶片气动模型的载荷计算研究,并与三维计算结果相对比,分析了两种方法对计算结果的影响与各自的适用性。     

水平轴风力机偏航气动性能分析

基于计算流体力学方法(CFD),采用带Gamma-Theta转捩的T-SST湍流模型,对NREL PhaseⅥ风力机在9个偏航角的气动特性进行了全三维非定常数值模拟。计算的功率与实验值吻合较好。提取了叶片截面翼型几何攻角和有效攻角,分析了不同偏航角下风轮的功率、推力,以及叶片沿展向各截面压力分布和法向力载荷系数的变化规律。偏航工况下,在旋转周期内,风轮功率、推力呈现2P波动性质,叶片气动载荷沿旋转方向呈现余弦交变性质。轴向来流工况时,叶片绕流的三维效应不明显。随着偏航角增大,三维迟滞回环越来越明显,且逐渐从内叶展过渡到中叶展,外叶展的迟滞效应不明显。     

风力机叶片气动噪声的影响参数*

随着风力机的大型化,风电机组对环境的影响不容忽视,必须对风力机气动噪声进行预测和控制。选取基于NACA、DU翼型的某风力机叶片作为研究基准,采用修正BPM半经验模型计算叶片的气动噪声特性,通过改变翼型族、弦长、机组运行状态、风切变指数、来流风向参数,研究叶片外形几何参数、机组运行工况对叶片气动噪声源的影响。计算结果从多个角度总结出水平轴风力机叶片气动噪声的变化规律,为开发高效低噪风电叶片提供参考。     

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。     

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。     

折叠翼面展开过程中气动载荷特性数值模拟

针对某飞行器翼面高速展开过程,采用定常和非定常数值模拟两种不同方法,进行折叠翼面展开过程气动载荷分析研究,其中定常方法主要研究翼面从折叠到展开过程中不同展开角下外翼面的气动特性,分析展开角、来流参数对外翼面气动力的影响;非定常方法主要模拟折叠翼面展开角速度变化,从而获得典型工况下翼面展开过程的载荷情况,分析非定常效应对气动载荷的影响.研究发现,当翼面展开速度与来流速度相近时,则非定常效应不可忽略而必须采用非定常模拟方法.      

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。     

跨声速动叶弯和掠对非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况下采用三种弯、掠动叶后的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对叶片气动负荷的非定常影响。研究结果表明:与原型动叶相比,三种弯、掠动叶由于改变了动叶气动负荷的分布苇心,其气动力矩的时均值都发生了明显的改变;动叶弯、掠使动叶和静叶气动负荷参数随时间的波动幅值明显降低,有益于动、静叶的强度保证;四种压气机模型动叶和静叶的气动负荷参数随时间的波动曲线的相位都发生了变化。     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

单级跨音压气机非定常伴随气动优化

在多排叶轮机械中,动静叶干涉会在流场中产生强烈的非定常效应。公开文献中现有的多排叶轮机械气动优化设计均采用基于混合平面法的定常模型,无法考虑流动的非定常特性。本文采用课题组自行开发的多排叶轮机械非定常伴随气动优化系统,对某单级跨音压气机动叶进行了非定常气动优化设计,优化过程中采用谐波平衡法高效求解非定常流场和非定常伴随场。优化目标为降低压气机级的进出口熵增,同时限制流量和压比不低于原始设计,并控制叶片最大厚度的变化幅度。优化结果表明,本文伴随气动优化系统能够高效地对多排叶轮机械进行非定常气动优化设计。     

大型风电机组叶片不同方位角下载荷智能控制效果分析

本文基于自主搭建的带有柔性尾缘襟翼(DTEF)控制的气动伺服弹性耦合仿真计算平台,首先从整体上论证了DTEF对降低风机叶片疲劳载荷的有效性,得到不同风速下风机叶片的叶根挥舞力矩按方位角的分布特性,在此基础上分析了DTEF能够降低叶片疲劳载荷的作用机理。最终得到结论:基于DTEF的智能叶片控制在不影响电机功率输出量的前提下可以有效降低叶片的疲劳载荷,减小电机输出功率、推力、桨距角的波动;不同轮毂高风速下DTEF的作用效果按方位角的分布规律不同;从参数的方位角分布规律分析出智能叶片控制机理,即DTEF引入破坏了原有叶片的气弹耦合特性,减弱叶片承受气动力,从而有效降低了叶片疲劳载荷。本文工作为未来明确智能叶片流动控制机理和优化载荷控制提供参考。     

宽弦高速跨音风扇颤振特性研究

颤振是航空发动机、燃气轮机等运行安全的重要威胁,但颤振稳定性与流动结构之间的关系尚不清晰。本文使用行波法和影响系数法,对某宽弦复合掠型高速跨音风扇转子的一阶模态进行了颤振特性研究,计算了在100%转速下从堵塞点到近失速点的颤振表现。使用影响系数法时,分析了不同通道数的计算域对气动阻尼计算的影响,并与行波法得到的结果进行了对比。研究了流动结构与叶片表面气动阻尼之间的关系,旨在提高对流动致颤机理的认识。结果表明影响系数法和行波法均能对叶片的气动阻尼进行较好的预测;流动结构方面,激波、激波附面层分离、叶尖泄漏流以及吸力面前缘叶顶附近的非定常压力波动,对叶片的气动阻尼分布有较大的影响。     

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。     

基于非定常曲面涡格法的气动灵敏度和线性化分析

非定常曲面涡格法可以准确考虑曲面气动构型和非定常尾涡对气动载荷的影响,是分析大柔性机翼气动弹性动稳定性的重要手段。基于小扰动假定对气动载荷的状态空间方程线性化处理,基于链式法则对气动载荷的解析灵敏度推导,是构造线性化气动弹性方程的基础,并可用于提高动稳定性分析效率。此外,线性化的状态空间方程和解析灵敏度还可应用于气动弹性控制及优化设计。通过数值仿真发现,气动载荷对涡格节点在竖直方向的位移分量最为敏感。与有限差分法相比,使用解析灵敏度可以保障计算精度并大幅提高计算效率。     

离心压气机导叶和转子确定性相互干涉现象

以带有导流叶片的高速小流量离心压气机为研究对象,对其叶片排间的确定性相互干涉现象进行了研究。首先进行了定常计算,通过计算结果和实验结果的比较,确定了计算方法的可信性。然后在定常计算结果的基础上进行了非定常计算。采用确定性波动分解方法,获得了叶片排间转子空间波动量、静子空间波动量和纯非定常波动量的分布形式。发现纯非定常波动体现为以时均导流叶片尾迹节距位置为中心的双峰正负振荡脉冲的特点。对导流叶片尾迹摆动随流量变化的特性进行了研究,发现摆动幅值随流量的减小而增大。对于导流叶片和转子叶片间距内的确定性静压力波动量,转子叶片的空间静压力波动量占有主导地位,这说明对于非定常压力场,主要是由于转子叶片的势流效应所导致的。     

共轴双旋翼悬停状态气动噪声特性分析

结合CFD(Computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程,建立了一套适合于悬停状态下共轴刚性双旋翼气动噪声特性计算方法。为了准确模拟共轴旋翼流场的涡干扰现象和非定常特性,基于运动嵌套网格技术与双时间推进方法,采用积分形式的可压雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为双旋翼非定常流场求解控制方程,湍流模型选用Baldwin-Lomax模型。通过Farassat 1A公式计算双旋翼气动噪声特性,每个声源微面的位置和载荷信息直接从桨叶表面网格中获取。然后,对水平面内和竖直面内观测点处共轴双旋翼厚度噪声、载荷噪声和总噪声的声压时间历程和频谱特性做了细致对比。模拟结果表明:上旋翼和下旋翼反向旋转的特点对声压时间历程影响显著,不同方向观察点的声压波形峰值对应的相位不同;共轴旋翼流场中存在的文丘里效应、桨-涡干扰现象以及下洗流的作用使得桨叶气动载荷呈现明显的非定常特征,导致共轴双旋翼的载荷噪声辐射强度较大;在低频段,总噪声受厚度噪声主导,而在高频段则受载荷噪声主导。      

钝尾缘翼型非定常气动特性及机理

钝尾缘翼型气动特性受到尾涡脱落的影响,在翼型DU 91-W2-250的基础上对称加厚得到了新钝尾缘翼型DU91-W2-250_6,利用密网格进行了非定常气动特性的数值研究。在各个攻角下钝尾缘翼型气动特性都具有周期性的特点,具体的波动特征如波动幅值及周期等则受脱落涡的大小、脱落位置及尾迹宽度的影响,而升力系数波峰、波谷则分别出现在顺时针涡及逆时针涡脱落的时刻。     

单级高负荷向心透平三维黏性非定常计算

对一台单级高负荷向心透平进行了三维黏性定常和非定常计算,计算得到的动叶出口以及下游的周向平均流场与文献提供的实验结果符合良好。在此基础上对流动的非定常特性进行了分析,发现由于动叶转速较高,且动叶下游不存在下一级静叶的干涉,流动的非定常效应主要体现在叶片排之间的区域以及动叶通道进口,动叶出口以及下游流动的非定常特性并不明显。非定常计算结果透平的级效率随时间的波动幅度达到了1.3%。