风力机叶片顺风向风致振动研究

借鉴桥梁和高楼建筑上已经广泛应用的风工程方法,在考虑脉动风的随机性的条件下,从频域和时域两个角度讨论了风力机叶片极限位移的计算方法。文中采用了Shinozuka提出的谐波叠加法从脉动风功率谱得到一组脉动风的时程样本。风力机的叶片被简化为变截面梁来考虑。将选定的脉动风功率谱以及相应的里程样本作用在叶片上,运用频域和时域两套方法对叶片进行了计算和分析,得到叶片的顺风向振动的平均位移和极限位移结果。结果表明,频域和时域两套方法得到的结果基本一致。将所提出的方法用于工程应用中,分析了暴风停机状态下的叶片极限位移最不利情况。最后指出本文的方法是一般性的,可用于风力机叶片与塔架的耦合分析。     

偏航状态下的风力机叶片气弹响应计算

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用非定常叶素动量理论计算气动载荷,考虑离心力影响计算挥舞/摆振耦合的旋转叶片动力特性,运用模态叠加法,建立了叶片动力学方程,采用Runge-Kutta-Nys trom方法对方程进行求解,并引入气动阻尼效应,实现了气动与结构的耦合。进行了叶片动力特性及稳定偏航下叶片载荷与气弹响应的计算,并与商用软件计算结果进行了分析比较。结果表明,离心力对叶片动力特性存在明显影响,考虑气动弹性影响十分必要,对准确预测叶片振动水平和疲劳寿命具有重要意义。与商用软件相比,本文方法有一定的改进。     

风雨耦合下大型冷却塔流场特性与表面气动力

现行冷却塔结构抗风设计均忽略了降雨带来的影响,但在强风暴雨极端气候条件下,暴雨亦会直接影响塔筒内、外表面气动力并改变脉动风的湍流效应,而传统研究大多仅关注风驱动雨对于结构表面的冲击效应。为解决该问题,以国内已建世界最高220 m大型冷却塔为例,以风-雨双向耦合算法为核心,首先采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术对冷却塔周围风场进行数值模拟,并将表面风压分布与规范及实测曲线进行对比验证了风场模拟的有效性;再添加离散相模型(Discrete phase model,DPM)并进行雨滴和风场的同步迭代计算。在此基础上,系统研究了塔筒内外表面风驱雨量、雨滴附加作用力和雨致压力系数等影响规律,揭示了风雨场中塔筒表面速度流线、湍动能强度、雨滴运行速度和轨迹的作用机理。最终提出了基于风雨双向耦合算法的风-雨致等效压力系数新模型及其分布特性。研究结论可为此类冷却塔在极端气候下的表面荷载取值提供参考。     

三维旋转效应对叶片非定常气动特性的影响

在旋转的作用下，流动分离向下游延迟，结果大大改变了风力机叶片的气动特性，这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以叶片表面边界层理论分析的结果为基础，给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系，使得这一复杂问题可以方便地解决，为准确计算旋转叶片的气动栽荷提供基础。通过算例表明，当这一三维旋转效应应用于叶片非定常气动特性计算时，能大大改善计算结果。     

具有阻力风杯结构的垂直轴风力机启动特性试验研究

为改善直线翼垂直轴风力机（SB-VAWT）的启动特性，在两叶片SB-VAWT内部安装了阻力风杯结构。为探明阻力风杯结构对两叶片SB-VAWT风力机静态启动特性的影响规律，对具有阻力风杯结构的垂直轴风力机（DS-VAWT）和两叶片SB-VAWT进行了转矩测量风洞试验和PIV可视化试验。结果表明:阻力风杯结构对SB-VAWT的风轮内部气流流动规律产生了显著影响。在一些方位角下，阻力风杯结构对SB-VAWT升力叶片尾部的流动分离现象改善明显，旋涡减弱，降低了能量损耗；在一个旋转周期中，阻力风杯结构的存在也产生了作用于风轮转轴的扭矩，因此具有阻力风杯结构的垂直轴风力机的静态启动力矩要高于无阻力风杯结构的情况。     

基于自由涡尾迹法和面元法全耦合风力机气动特性计算

风力机气动特性主要由叶片贡献,但是处在流场下游的机身(包括机舱和塔架)对其也会产生影响。基于自由涡尾迹方法与面元法,得到了一个较为完备的风力机叶片与机身气动干扰的迭代计算方法。在该方法中,叶片用位于1/4弦线的一根升力涡线代替,结合叶片尾缘拖出的涡线建立自由涡尾迹模型,机身绕流模拟采用了一阶面元方法,将自由涡尾迹方法和面元法耦合模拟风力机主要气动特性。最后用该分析方法计算了NREL phaseVI风力机的气动特性,与实验结果进行比较和分析,验证了全耦合模型的有效性。     

风力机叶片优化设计目标

研究了变桨型风力机叶片的气动性能计算、叶片设计载荷评估、叶片结构设计、风力机组成本评估及风电场运营模型,并将这些模块进行了整合,得到了度电成本的计算方法,同时提出了风场运营收益最大这一叶片设计目标。基于有针对性的叶片参数化描述,采用自适应模拟退火算法,分别以不同的目标优化设计了1.5MW变桨型的叶片。分析比较了度电成本及风场收益两个指标在平衡发电量和成本上的区别,认为在可以确定上网电价的情况下,以风场收益最大为目标设计叶片能为风电运营商带来更多的收益。     

复杂群山环境下某桥址的风场特性

通过地貌模型风洞试验研究复杂群山情况下某桥址的风场特性,分析平均风速、风攻角、湍流强度、湍流积分尺度等随风向角和测点位置的变化特性,获得了复杂群山环境下典型位置测点脉动风速功率谱的变化情况。研究表明:复杂群山环境下,桥址的平均风速均小于梯度风高度的风速;爬坡效应使得顺山谷方向来流（顺风向,即风从谷口吹入）产生显著的正攻角,最大值为+35.3°;顺风向时,桥址各测点的纵向湍流强度和横向湍流强度达到最小,约为10%,其他风向下的湍流强度较大;顺风向时,桥址的湍流积分尺度较大,且随测点高度上升而增大,桥址各测点功率谱较来流功率谱发生明显变化,功率谱高频段能量显著增大、单峰特征降低。     

三维动态失速模型在风力机气动特性计算中的应用

为了适应风力机叶片的大展弦比、旋转和只有单侧叶尖涡的特点,对已建立的适用于小展弦比直机翼的三维动态失速模型进行了一系列的修正,然后用于风力机三维非定常气动特性计算。该动态失速模型所必须的气动输入参数将由动量叶素理论方法计算得到。本文将动量叶素理论、三维动态失速模型、三维旋转效应模型适当耦合起来,获得了风力机叶片的三维非定常气动特性计算方法。应用上述方法计算得到了不同工况下的风力机叶片各截面的非定常气动载荷结果,并与风洞实验结果以及用二维动态失速模型计算的结果进行比较,对计算方法和计算结果进行了详细的分析和讨论。本文模型相比于二维模型,能够更好地仿真风力机叶片的三维动态失速气动特性,尤其在叶片外部截面效果更佳。     

山区峡谷地带大跨度桥梁风场特性试验

以主跨1176m的超大跨度悬索桥--湘西矮寨大桥为工程背景,进行了桥址处峡谷地形模型的风场特性风洞试验研究.主要研究了山区峡谷风对桥梁结构抗风设计的影响.提出了由地形模型谷口中前试验风场梯度风速与模型中桥位桥面高度处风速的实测对应关系,结合实际谷口前的梯度风速计算桥梁设计风速的方法.试验结果表明:峡谷内沿桥跨方向平均风剖面的分布具有明显不均匀性,不能用统一的剖面形式描述;桥面高度处风迎角明显高于规范要求的±3.之内的检验标准;峡谷风速放大效应需综合考虑测点高度和两侧山体地形的影响.     

定桨距风力发电机在桨叶深失速区运行研究

定桨距风力发电机结构简单、成本较低,在恒速运行时主要依靠失速性能来调节输出功率.为了进一步提高该型风力发电机的输出功率,需要研究其在叶片深失速区内变速运行,实现在低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制,从而具有与变桨距变速风力发电机相媲美的功率特性.本文采用鲁棒PID控制器设计转速控制系统,其动态响应特性符合设计要求.实验结果表明,定桨距变速风力发电机能够在设计风速范围内稳定运行,其变速控制系统具有良好的动态响应特性,依靠变速控制系统能够实现低风速区的最大风能跟踪和高风速区的恒功率控制.     

基于小生境遗传算法的风电场布局优化

基于小生境遗传算法对风电场内风力机机组的布局进行优化。在优化过程中,考虑等风速同风向和变风速变风向两种简化的入流模式,采用修正的Jensen尾流模型模拟机组之间尾流的相互干扰效应,以单位发电量所消耗的成本最低为目标,使用小生境遗传算法优化风电场机组的排布。文中给出了优化后的风电场布局轮廓图、风电场机组台数、总发电量、目标函数值以及风电场的效率。通过与以前的相关研究对比分析,表明本文的方法取得了较优的结果,可为将来真实风场的风力机排布提供参考依据。     

跨声速翼型风洞开孔壁的简化模型数值模拟

以开孔壁翼型风洞为研究对象，构建简化的仿真模型，模拟开风洞孔壁附近及小孔内的流动，研究开孔壁对风洞试验的影响。研究了开孔壁流动的主要特征参数并建立多孔板模型，为进一步建立数值风洞模型及研究洞壁干扰提供参考。通过简化的孔壁模型，研究了开闭比等特征参数对风洞流场和翼型绕流的影响。构建了二维简化孔壁模型和多孔介质孔壁模型，并验证了以多孔板模型模拟孔壁风洞流场的可行性。本文建立了一种研究跨声速孔壁风洞的孔壁效应的数值方法，为跨声速孔壁风洞流场的模拟研究提供参考，为进一步构建可靠的风洞孔壁数值模拟数学模型提供一种研究思路。     

一种变速风力机全风速范围发电策略

由于风力机系统复杂的机械阻尼和大惯量等强非线性因素的存在,增大了控制策略设计与实现的难度。同时,对于变速风力发电系统而言,风力机的转速控制器设计是实现发电控制策略的重要环节。本文首先分析了定桨距变速风力机全风速段的发电策略,针对传统方案所存在的问题,提出了新型的控制策略,该策略在不同运行状态之间的过渡过程迅速平滑,有效降低了系统的动态载荷;其次,基于现有的风力发电系统分析了定桨距风力机的小信号模型,推导了风力机系统的传递函数,并为转速控制环设计了P ID控制器;最后,通过仿真和实验,验证了全风速段发电策略的可行性和有效性。     

基于遗传算法的变桨型风力机翼型设计

从提高叶片效率和降低叶片输出载荷两方面对翼型的设计要求进行了分析,并直接以叶片的综合性能为目标,采用遗传算法耦合XFOIL进行翼型的优化设计,最终以计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)的计算结果作为翼型性能的评价依据,设计了相对厚度从18%到30%四个风力机专用翼型。从理论上分析了翼型形状改变与性能改善之间的对应关系。结果显示,与行业内成熟的翼型相比,新翼型在效率控制区内能取得更好的升阻力特性,同时在载荷控制区内能减小升力系数,因而采用该族翼型能够在提高叶片的发电量同时减小叶片的输出载荷,为叶片带来更好的综合性能。     

风力机叶片非定常气动力降阶模型方法

基于计算流体力学(Comptational fluid dynamic,CFD)的非定常气动力降阶模型方法,建立起叶段振动状态下的非定常气动力模型,用来模拟叶片变形与气流耦合作用下的附加非定常气动力,实现了叶段在旋转过程中的非定常气动特性建模。通过与CFD结果的校验,验证了方法的可行性,分析了模型对阶跃幅值、风速及振动频率等参数变化的敏感性,然后将方法推广至多叶段模型,并结合结构动力学方程给出多叶段模型的气动弹性响应历程。     

以风轮气动性能为目标的风力机翼型优化设计

提出了一种优化风力机翼型气动特性的设计方法。在现有风力机翼型的基础上,通过改变其最大厚度位置至后缘部分的外形进行优化计算。采用N-S方程计算翼型的流场及气动特性,以提高风力机切向力同时减小其法向力为目的,用二维线性插值的方法进行多目标优化。以DU 93W 210翼型为例,针对风力机翼型气动性能本身的矛盾性,根据实际需求提出几种方案加以优化。结果表明,在不同的性能需求下,本文所提出的设计方法能取得较好的效果。     

GNSS-R海面风速反演算法

针对目前GNSS-R海面风速反演方法观测量单一，精度较低的问题，提出一种基于时延多普勒相关功率图（Delay Doppler map，DDM）的分割多普勒波形匹配反演算法。该方法利用新的DDM观测量，经过训练后，可以反演海面风速。使用该算法根据给定条件建立风场反演模型，以CYGNSS数据作为仿真输入量。仿真结果表明，利用该方法在海面风速20 m/s以下，反演风速的均方根误差为2.01 m/s，结果优于传统GNSS-R风速反演使用的峰值功率法和前缘坡度匹配法（Leading edge slope matching method，LES）。