基于航空技术的高效率风力机研制

概述了国内外风力机的发展状况,分析了其设计技术及气动性能存在的问题,提出了影响风力机效率提高的因素,并利用航空高技术及我院的研究成果,采用航空有关台阶翼型、格尼襟翼及喷气增矩技术等对风力机桨叶翼型进行了改造,从而显著提高了风力机的风能利用系数.     

直线翼垂直轴风力机气动特性研究综述

直线翼垂直轴风力机是当前升力型垂直轴风力机的典型代表,凭借着无需对风、结构简单、造型独特等优点在中小型风能利用领域受到越来越多的关注。但由于其气动特性复杂,且研究时间相对较短,尚有许多问题需要研究,还有很广阔的发展空间。本文以直线翼垂直轴风力机的气动特性研究为对象,介绍了风力机气动特性研究历程、研究现状、主要工作原理,及气动特性分析理论、常用的研究方法,尤其是对如何改善直线翼垂直轴风力机在低风速下的起动特性问题和高转速下的气动特性发挥问题的国内外研究进展进行了分析和总结,并对今后的研究趋势进行了展望。     

国外航空气动技术在风力机上的应用进展

风力机气动技术是提高风能捕获能力的核心技术。在调研近两年国外文献资料的基础上,概述了航空气动技术在风力机上应用的最新研究进展。主要包括水平轴大型风力机发展的新概念、垂直轴风力机专用翼型研究、各种气动技术在叶片上的应用研究、美国缩尺风场技术设备(SWi FT)建设和测试技术发展。目的是跟踪国外风力机气动布局概念和技术应用研究进展,意在为我国该领域研究工作提供参考。     

基于全自由尾涡模型的最佳环量分布风力机叶片气动优化方法

通过优化环量分布,开发了一种快速的风力机叶片气动优化设计方法.方法中引入了全自由尾涡模型,通过并行处理技术和快速多极子方法加速计算.采用傅里叶级数参数化叶片附着涡环量分布,大幅减少了优化变量数目.以风能利用系数为目标函数,以给定轴向力系数为约束条件,获得环量分布后反求得到叶片最优几何参数.最后通过优化美国可再生能源实验室（NREL）实验风轮进行方法验证,结果表明:在约束条件下,当尖速比分别为3.79和4.74时,优化使风轮的风能利用系数分别提升了32%和8%.在无约束条件下,针对不同叶片数和尖速比,分别对原NREL风轮进行全局优化,得到了风能利用系数均超过0.48以上的最优设计.      

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。     

国外10MW风力机叶片气动布局研究

降低风能利用成本是风力机单机装机功率向大型化发展的主要驱动力,10MW风力机已成为当今国外大型风力机研发的目标。本文简要回顾了风力机叶片空气动力研究对风力机大型化发展的贡献,探讨国外针对10MW风力机开展的新型叶片气动布局研究。     

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅰ：风力机气动特性

随着世界各国纲领性行业政策的积极制定,风电行业将继续高速发展。风电机组大型化（达到多兆瓦级甚至十兆瓦级）、海洋化（从陆地扩展至海上）、智能化（辅以智能化结构、材料和控制策略）、数字化（精准预测和实时感知调控）是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务,由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象,就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨,本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因;然后,针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计（特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题）与流动控制等关键空气动力学问题,从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手,对其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论;最后对今后的研究方向进行分析与展望,为大尺寸风力机叶片设计提供参考。     

旋转流场下的振荡动导数试验技术研究

为研究飞机在旋转流场下的非定常气动特性,中国空气动力研究与发展中心低速所在Φ5m 立式风洞开展了旋转流场下的振荡动导数试验技术研究。本文推导了在旋转流场下识别组合动导数的方法,介绍了试验设备,获得了在旋转的同时,由振荡产生的3个组合动导数,并对试验结果进行了分析与讨论。将单自由度动导数结果与Φ3．2m 风洞试验结果进行了对比,旋转/振荡耦合试验结果表明：旋转运动使得俯仰组合动导数变得不稳定,而对于横向组合动导数,大转速则会显著增大非线性。该试验技术能够为研究旋转流场下的非定常气动特性提供一个有效的试验平台。     

风力机噪声的预测方法研究

研究了数值预测风力机气动噪声的一种半经验模型.通过分析风力机噪声产生的机理,该模型对几种不同形式的风力机噪声源进行叠加计算,包括湍流入流噪声、风力机叶片翼型自激励噪声,进而得到风力机全机的声压级和声功率级噪声谱,以及总声压级和总声功率级.为验证半经验模型的有效性,将模型应用于风力机的噪声预测,计算的声功率级及总声功率级与实验测量的声功率级进行比较,计算所得到的结果能够与实验结果基本吻合,表明研究的预测方法是可行的.     

分裂叶尖概念型风力机叶片的气动设计与数值优化研究

针对基于分裂叶尖布局的概念型水平轴风力机的气动特性,利用计算流体力学(CFD)方法展开数值模拟研究,并与自由涡尾迹方法的分析结果进行了验证。在以NREL phase VI叶片为基本布局的基础上,研究了合理布局的分裂叶尖小翼之间的相互作用对大风速下风力机叶片流动分离与总体气动特性的改善效果。上述数值模拟结果均表明,通过合理设计分裂叶尖布局,叶尖小翼能够产生多个叶尖涡结构,并提供额外的前缘吸力峰值,对中大风速下风力机叶片整体性能起到有利的改善作用;另一方面,原始设计产生的单一集中涡得到分散,流向涡强度以及近尾迹区的诱导影响进一步受到削弱。在此基础上,借助于基因算法分别针对初步计算得到的各叶尖小翼的主要几何参数进行了多目标数值优化,获得了具有较高风能利用效率的分裂叶尖布局设计解集。     

大型风机桨叶技术研究

综述分析了国外大型风机在翼型、噪声、结冰等气动问题的研究进展.概述了大型风机的材料问题和智能桨叶控制研究现状,归纳分析了智能桨叶控制常用的气动控制装置、作动装置、传感器和控制器,可为国内风能领域科研人员了解国外大型风机研究工作提供参考.     

体育场内场风环境模拟实验研究

体育场内场风环境是建筑设计者和体育工作者非常重视和关心的问题,因为它涉及到运动成绩被承认与否和体育比赛的效果。本文针对浙江省黄龙体育中心体育场的建筑结构特点,对其内场逝地面的风场进行了测量,采用空气动力学实验中经常使用的热线风速仪和烟线示踪法对各种不同风向角条件下,外场风在现体育场结构方案中对场为的影响,显示内场风场的变化。对体育场建成后的使用,提出风影响预报。可以避免今后由于风作用而产生不利影响     

建筑风环境风洞试验中风速探头的研制与应用

研制简易风速探头并通过风洞试验研究探头的气动力特性,为探头的推广应用奠定基础。基于Irwin提出的风速探头原理,研制了用于建筑风环境风洞试验的简易风速探头,对风速探头压力测试结果的影响因素进行了试验分析,并对探头进行了标定,给出了不同高度风速探头的标定系数,同时对湍流场中不同风速下的测试精度和探头间干扰效应对测试精度的影响作了试验分析,最后对一典型小区进行了风环境测试分析。研究结果表明：所研制的简易风速探头对平均风速有较高的测试精度,能够用于建筑风环境风洞试验。     

二元柔壁自修正风洞研究

本文简要叙述西北工业大学开展二元柔壁自修正风洞研究的情况以及所取得的结果。着重介绍了西北工业大学二元柔壁自修正风洞的参政选取以及自修正风洞试验技术的研究工作,如迭代试验方法的确定,一步法的研究等。同时提出了对今后开展自修正风洞研究的建议。     

O5+ in High Speed Solar Wind Streams: SWICS/Ulysses Results

Recent observations with UVCS on SOHO of high outflow velocities of O⁵⁺ at low coronal heights have spurred much discussion about the dynamics of solar wind acceleration. On the other hand, O⁶⁺ is the most abundant oxygen charge state in the solar wind, but is not observed by UVCS or by SUMER because this helium-like ion has no emission lines falling in the wave lengths observable by these instruments. Therefore, there is considerable interest in observing O⁵⁺ in situ in order to understand the relative importance of O⁵⁺ with respect to the much more abundant O⁶⁺. High speed streams are the prime candidates for the search for O⁵⁺ because all elements exhibit lower freezing-in temperatures in high speed streams than in the slow solar wind. The Ulysses spacecraft was exposed to long time periods of high speed streams during its passage over the polar regions of the Sun. The Solar Wind Ion Composition Spectrometer (SWICS) on Ulysses is capable of resolving this rare oxygen charge state. We present the first measurement of O⁵⁺ in the solar wind and compare these data with those of the more abundant oxygen species O⁶⁺ and O⁷⁺. We find that our observations of the oxygen charge states can be fitted with a single coronal electron temperature in the range of 1.0 to 1.2 MK assuming collisional ionization/recombination equilibrium with an ambient Maxwellian electron gas. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Diffusive fractionation in the chromosphere

A new mechanism for the FIP fractionation in the solar wind in the form of a stationary diffusion model is proposed. It is based on a weakly stratified chromospheric layer of constant density and temperature, permeated everywhere by ionizing photons and a homogeneous magnetic field. Our model does not invoke any particular geometry or special set up of the system and is founded solely on robust and well understood atomic collisonal physics. Technically, a boundary value problem of four coupled differential equations is solved for each chemical element, i.e. a continuity equation and a momentum equation for both atoms and singly ionized particles. For the main gas (hydrogen), an analytical solution can be found. This then serves as a background for the numerical integration of each trace gas system (several elements from He to Fe). We find that, after a few hydrogen diffusion lengths, each minor species asymptotically approaches a constant density. The ratios of these density values to some reference element reproduce the observed FIP fractionation pattern remarkably well.     

二维柔壁自适应壁风洞中三维模型近音速试验技术

根据跨音速面积律将翼-身组合体模型转变为等效旋成体模型 ;并将风洞的矩形截面转变为等面积圆截面 ;由此通过轴对称跨音速小扰动速势方程求解圆截面风洞洞壁调节量 ;进而得到矩形截面上、下洞壁调节量。以堵塞比为 2 .64%的模型在西北工业大学高速二维柔壁自适应壁风洞中进行了翼面测压试验,并以同一模型在德国宇航院 HKG风洞中 (堵塞比为0 .35 % )做了对比试验。在近音速情况下 ( Ma∞=0 .94,0 .994和 1 .0 0 8),α=0°,2°时两者结果符合良好     

萧山国际商务中心风载风洞试验研究

本文介绍了杭州萧山国际商务中心双塔楼的表面风压风洞试验及主要试验结果,分析讨论了该双塔楼沿高度变化的体型系数、对结构的顺风向、横风向风载以及扭矩,为整体结构和表面玻璃幕墙设计提供了合理的风载荷参数.     

U形渡槽槽体结构风载体形系数的风洞试验研究

本文对于U形渡槽槽体结构模型进行了风洞实验研究 ,得出了U形渡槽槽体结构的风压分布和风载体型系数。风洞试验结果表明U形渡槽槽体的风压分布和风载体形系数同槽体的高宽比和流场状况有关 ,在同一流场状况下槽体的风载体形系数随着槽体的高宽比变化。本文的试验结果为渡槽结构的抗风设计提供了参考依据。