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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于面元法的水平轴风力机数值模拟

使用基于速度面元法的势流数值模拟方法,以NREL PhaseⅥ为例进行了叶片气动载荷和风轮近尾流场的数值模拟。将势流数值模拟、叶素动量理论和计算流体力学CFD方法的计算结果与实验数据进行了对比分析。结果表明使用速度面元法计算风轮绕流场具有较高的计算精度和求解效率,为大规模风力机群的流场计算和出力预报提供支撑。     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。     

舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟

为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k－ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10~30 μm的气泡存活时间最长, 为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10~30 μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3%.     

基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真

针对传统CFD数值计算方法难以实现风力机动态旋转及其旋转状态下的流固耦合计算,本文结合格子玻尔兹曼(LBM)方法易于处理动态复杂边界的特点及大涡模拟(LES)方法在非稳态涡流结构捕捉上的优势,采用LBM-LES联合方法进行三维风力发电机整机气动性能及尾流结构仿真研究,同时采用尺度自适应方法对尾涡结构进行跟踪和精细化计算。针对NREL PhaseⅥ型试验机进行模拟,得到了与实验结果吻合的流动形态及尾流结构演变规律,分析了尾流区速度演变规律并对比了不同亚格子湍流模型对计算结果的影响.     

水平轴风力机专用翼型族设计

本文采用正问题方法设计了适用于我国风况的风力机专用翼型族CAS-W1-XXX系列。包括最大相对厚度为15%～60%的11个不同厚度,适用于叶片根部到叶尖所有部分,设计雷诺数为3000000。设计中选择NUMECA软件中的AUTOBLADE模块进行翼型的几何造型,使用XFOIL进行翼型的气动持性和几何持性分析。通过XFOIL对设计结果进行分析得出CAS-W1-XXX翼型族具有良好的气动持性,前缘粗糙不敏感性以及良好的几何兼容性。     

水平轴风力机叶片气动性能研究

以动量-叶素理论为基础建立了水平轴风力机叶片气动计算模型,同时考虑叶尖损失、叶根损失及失速状态下动量理论的失效对动量-叶素理论进行修正,通过对NREL10 m风力机叶片进行气动性能计算,通过与实验数据的对比,探讨模型的准确性.     

提高水平轴风力机叶型升力的实验研究

本文针对某水平轴风力机叶片不同叶高分布的两种叶型,在头部不同位置加入不同频率和动量的振荡射流进行对比实验研究,得到不同情况下叶型的表面压力分布。发现在叶片吸力面头部某些位置加入一定频率和动量段范围内的振荡射流,可以有效的提高叶型的升力系数,达到改善风力机叶型气动性能的目的,为风力机叶片的流动控制技术提供了一种有效的方案。     

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.     

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。     

水平轴风力机专用翼型族试验分析及优化设计

对水平轴风力机专用翼型族—CAS-W1-XXX薄翼型族试验结果进行了分析,并将其与国外同等厚度翼型进行对比。试验结果表明,与国外同等厚度翼型相比CAS-W1-XXX薄翼型具有良好的前缘粗糙不敏感性、高的最大升力系数、设计升力系数和良好的失速特性。为进一步提高翼型的气动特性,在试验结果的基础上对CAS-W1-XXX薄翼型族进行再次优化。根据XFOIL计算结果,优化后翼型的最大升阻比得到提高,并且与DU翼型相比具有良好的气动特性。同时对CAS-W1-XXX厚翼型中出现的小攻角失速现象进行了优化改进。     

2.5兆瓦风力机气动性能数值模拟研究

采用商用软件FINE_(TM)/Turbo,对2.5 MW变速恒频型风力机DF90风轮进行三维定常数值模拟研究.在计算功率与设计值很好符合的基础上,分析了风轮的三维绕流细节,讨论了叶尖速比和来流风速对叶片载荷的影响。结果显示:相同叶尖速比条件下流动近似;来流迎角随叶尖速比减小而增大,根部分离提前;运行风速范围内流动分离仅发生在叶根附近较小的范围内,大部分叶展范围的绕流具有良好的二维性。