风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性

空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一,决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求,结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势,对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨,本篇为其中第二部分：入流和尾流特性。一方面,选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面,从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手,梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展,分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外,结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后,对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。     

基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用,叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素,结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而,风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性,从而导致风力机性能预测出现较大误差。本文基于柔性多体动力学,建立了一种新型双向流固耦合模型,在结合致动线方法和大涡模拟的基础上,考虑了结构和气动弹性对风力机性能的影响,可用于动态结构载荷预测及流固耦合分析。对5 MW基准风力机进行建模,验证了计算模型的准确性,并讨论了叶片的瞬时结构响应,分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明,叶片的柔性在风力机气动弹性设计中不可忽略,同时本文模型可以准确捕捉风力机的尾迹结构（包括叶尖涡和叶根涡）,更适用于现代兆瓦级复合材料风力机气动弹性和尾迹分析。     

大型风力机气动弹性响应计算研究

发展了一套快速预测风力机动态响应的分析方法.针对南京航空航天大学设计的兆瓦级大型风力机叶片NH1500,按照工程梁方法对叶片及塔架结构进行简化,生成有限元梁模型.根据动量叶素理论编写气动力程序,为有限元模型提供气动载荷,从而完成时域情况下风力机的响应计算.最后,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

基于风洞试验15 MW风力机叶片颤振后形态与能量图谱研究

现有风力机叶片颤振分析大多关注颤振临界状态预测,忽略了非线性更为显著的颤振后形态和能量耗散。本文基于变分渐进梁截面法设计了新型超长柔性叶片气动-刚度-质量映射一体化三维弹性模型,采用高速摄像技术和高频六分量天平进行了同步测振、测力风洞试验,分析了风力机叶片颤振敏感风向区间与临界风速组合规律,最后基于叶尖风振响应、气动阻尼和能量,系统研究了风振敏感工况风振响应下风力机叶片能量演变规律和颤振临界风速后的形态特性,揭示了风力机叶片颤振后能量耗散机制。研究表明：提出的风力机叶片弹性模型设计和试验方法能有效模拟结构动力性能与颤振行为;风力机叶片的桨距角93°～96°和284°～286°区间属于风振敏感区间,在该区间内超过临界风速即可发生大幅锁频振动;存在能量积累突变界线,超过该界线对应风速后的能量积累尤为显著,表现出风致振动能量随时间呈现显著的非平稳特性;颤振后气动负阻尼是结构系统发散的主要原因。     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

考虑气动弹性的风力机叶片性能分析

考虑气动弹性对风力机叶片的影响,采用叶素-动量理论计算气动力,采用盒形梁理论计算结构变形,耦合静气动弹性平衡方程,建立了风力机叶片静气动弹性分析程序。本文运用该程序进行了多种风速下叶片载荷及风轮性能的计算,分析了气动弹性对原设计的影响。结果表明,对于兆瓦级风力机,在大风速情况下,气动弹性对风轮性能有着明显影响,并会造成气动载荷的重新分布,影响结构设计的准确性。该方法可用于对叶片气动设计与载荷计算方法进行气动弹性修正。     

百米级大柔性风电叶片非线性气弹响应分析

随着风电叶片迈入百米量级,叶片尺寸和柔性持续增大,几何非线性对叶片结构动态响应的影响更加明显。为解决大柔性叶片的非线性气动弹性计算问题,采用基于Legendre谱有限元的几何精确梁理论,耦合叶素动量理论,建立了大尺寸风电叶片气动弹性分析方法,通过带有预弯的悬臂梁算例验证了几何精确梁模型的准确性。最后,以NREL5 MW和IEA 15 MW风力机为例,分别采用线性模态叠加法和非线性几何精确梁方法计算了61.5 m叶片和117 m叶片在全工况稳态风和湍流风条件下的动态响应。结果表明,从5 MW到15 MW风力机叶片,由于几何非线性效应引起的叶尖挥舞位移和叶根挥舞弯矩数值偏差分别增加21.35%和21.23%,叶片一阶摆振模态频率也存在3.2%的偏差。百米级叶片非线性效应对叶片动态响应、摆振模态等气动弹性特性影响较大,应充分考虑非线性气动弹性对叶片设计的影响,以保障风力机的运行安全性。     

基于响应面方法的风力机叶片多目标优化设计研究

运用基于响应面方法的优化设计技术,于径向使用NPU-WA-风力机专用翼型族的某1.5MW水平轴风力机叶片的多目标、多约束优化设计研究中。风力机气动性能使用基于叶素-动量理论的风力机性能分析和设计软件PROPID51。设计变量为叶片径向外形参数,包括弦长和扭转角分布,但是相对厚度保持不变;设计目标为年发电量和功率系数的最大化;在多目标优化中,使用"统一目标函数"法将多个设计目标函数通过加权求和统一到一个目标函数中。为减小计算量,响应面模型使用不含二阶交叉项的二阶多项式模型;构建模型中试验点的选择满足D-优化准则。以某1.5MW变速变矩型风力机叶片为例,进行了优化设计研究。叶片径向使用西北工业大学翼型研究中心设计的NPU-WA-风力机专用翼型族,使用CFD计算的气动性能数据作为输入进行了设计,分析了目标函数的权值分配对设计结果的影响;使用风洞测量自由转捩的气动性能数据进行了设计并分析了表面光滑条件对气动性能的影响。     

基于性能及轻量化的新型风力机叶片优化设计研究

针对复合材料风力机叶片形状复杂,采用传统的复合材料层合板理论难以建立叶片质量计算数学模型的缺点,本文提出了将叶片的质量计算转化为叶片曲面的面积计算模型。基于修正的风力机空气动力学理论,在叶片全部产生功率区域内采用作者全新设计的风力机CQU-A翼型系列进行翼型沿叶片展向分布设计,验证了该翼型族具有较高的气动性能;针对变桨距风力机,以最大功率系数及最小叶片面积为多目标优化模型,建立了新型2MW风力机叶片设计及优化数学模型。采用改进的多目标粒子群算法对风力机叶片进行优化设计,优化结果表明,相比初始风力机叶片,新叶片的工作性能有了较大的提高,叶片的表面积有了明显的降低,意味着叶片的质量有了显著的减少,降低了叶片的材料成本;同时叶根载荷也得到了有效的控制。该新型叶片的研究为设计出高性能轻质量低成本的风力机提供了理论依据。     

基于粗糙度敏感性研究的风力机专用翼型设计

对几个具有代表性的风力机常用翼型的几何特性和气动特性进行分析研究,详细探讨了各种翼型的前缘粗糙度敏感特性情况。基于一种新的翼型几何形状表征形式,以设计攻角工况下光滑条件和粗糙条件下的升阻比加权值为目标,优化设计得到了一种相对厚度为24.7%的风力机专用新翼型。对新翼型在主要工作攻角范围的升力特性、阻力特性及升阻比特性进行了研究,并详细分析了新翼型在不同工况下的气动特性情况,研究结果表明:新翼型具有低前缘粗糙度敏感性和低湍流敏感性;在设计和非设计运行工况下都具有很好的气动性能;雷诺数的升高和三维旋转效应对风轮叶片新翼型的气动特性具有促进作用。     

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。     

基于自由尾迹法的小翼形状对风机气动性能影响分析

基于(势流)涡方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用自由尾迹模型对增加O型小翼和L型小翼后的叶片气动设计性能进行分析,计算了风力机设计工况下的涡位置及诱导速度分布等气动性能参数,对比了增加小翼后功率输出情况。结果表明,增加小翼后风力机叶片在设计工况下功率系数有明显增加,下风向小翼功率提升高于上风向小翼。     

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。     

垂直轴风力机桨叶气膜加热的数值研究

为观察风力机叶片在前缘开孔和不开孔两种情况下旋转叶片表面成膜情况,基于双向多流管理论模型,采用 MATLAB 软件编写程序及 Fluent 进行数值模拟,将程序计算结果与数值模拟结果进行比对,基于数值模拟分析两种模型在不同孔射流速度下的气动特性及流场情况。结果表明,数值模拟能够很好地反映流场特性,在来流风速及转速一定的条件下,孔射流速度过大会极大地削弱旋转叶片的气动性能,过小又不能形成很好的气膜保护。研究结果对 H 型垂直轴风力机防除冰叶片的设计具有一定的参考意义。     

风力机组叶片的先进翼型族设计

大型风力机组叶片设计需要专用的翼型族,以满足风力机组运行的环境要求。高升阻比、低粗糙度影响是该翼型族的气动性能特点。为了发展我国具有自主知识产权的风力机专用翼型族,在科技部863项目的支持下,北京航空航天大学联合国内气动研究单位,通过理论分析、数值模拟和风洞试验等技术途径,开发了两个适用于大型风力机组叶片的先进翼型族。理论分析和风洞试验表明,设计结果基本达到了预先设定的气动性能指标。     

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.     

一种大型风力机叶片的气动优化设计方法

探索研究了一种大型风力机叶片优化设计的方法,采用有限叶片变环量气动计算模型,同时结合了PSO优化算法。以一3MW大型水平轴风力机叶片设计为例,并同传统的方法进行比较论证,显示了本文方法的可行性和优越性。     

阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性

风力机实际运行中入流工况复杂,风电场中多台风力机之间的尾流效应呈现高度非定常特性,下游风力机的气动载荷亦会因此受到严重影响。本文开展了阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性研究。首先,建立了LES耦合致动线模型方法,以Nibe风力机为算例验证了方法的可行性和准确性,并研究了单台风力机尾流速度的发展规律;然后,以NREL 5 MW大型风力机为例,开展了多台风力机在阵风工况下的数值模拟,获得了非定常尾流效应和尾流干扰特性,揭示了尾流中阵风涡系的发展演变规律;最后,分析总结了阵风工况下的风力机气动载荷特性。研究内容及结论对风电场布局和风力机载荷强度设计具有指导意义。