风力机对大气边界层近地层影响的数值模拟

为研究风力机运行对大气边界层近地层的潜在影响,采用 Gambit 软件建立风力机及风场模型,应用 UDF加载边界层速度分布函数作为流场入口边界条件,基于尾流特性及湍流理论,应用 Fluent 软件模拟单台风力机运行对大气边界层近地层的影响,通过分析风力机下游不同位置处的速度及湍动能以及其随高度的变化情况来进行分析研究。模拟结果表明风力机的运行会造成近地层内原本均匀分布的大气流场发生明显变化。与初始速度分布相比,流体流经风力机后,轮毂处风速迅速降低,随后逐渐增加,但随着向下游的延伸,速度增加的梯度逐渐降低,且在距离风力机17倍风轮直径后仍未增至来流速度;在竖直方向上速度分布呈现出逐渐增加的趋势,但在风轮位置处明显下降,随着空气继续向后流动,影响面积在扩大,但是趋势逐渐变缓。同时湍动能也发生较大变化,在近风轮处,由于轮毂区域的风速与周边的风速存在较大差异,所以造成近风轮处的湍动能迅速增大,随着流体向下游的延伸,与周边流体逐渐混合扩散,湍动能逐渐降低;湍动能在竖直高度上的分布在近尾迹区呈现出由地面至高空先减小后增大,再减小再增大的趋势;而远尾迹区域则先减后增,不过在到达一定高度后几乎都不再变化。由于大气各种通量的变化等也与风速、湍动能相关,所以风力机会对对其周边环境造成影响而不仅仅局限于近地层的风速、湍动能。     

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。     

Dynamics of Wind Generators on Electric Utility Networks

Dynamic interaction of wind-turbine-driven generators on electric utility networks was studied by computer simulation. Nonlinear representations of wind-turbine and various drive train elements and Park equation representations of synchronous and induction generators were implemented. An infinite capacity network was assumed. Time history responses for various system configurations were computed using as the input function severe wind gust data added to cyclical torque variations occurring at turbine blade frequency. Results indicated that severe transient mechanical and electrical stresses can be induced for certain system configurations. Best results were obtained by interposing rate or damped compliant couplings between the wind turbine and a synchronous generator. The induction generator did not appear to require such means. Blade pitch control (or equivalent) was required to limit output above rated wind velocities for wind turbines configured to produce maximum mum specific power. The blade pitch control loop must exhibit high performance to limit transient overshoots. An aerodynamically limited turbine driving an induction generator exhibited good response without the need for blade pitch control, but at the cost of increased turbine rotor diameter. Further work is indicated, taking into account wind-turbine aeroelastic effects, finite capacity networks, and other factors.     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

大型客机维修成本优化研究

在设计初期通过加强可靠性设计与维修性设计降低大型客机直接维修成本(DMC),是提高大型客机经济性的有效途径。本文建立了基于可靠性设计参数和维修性设计参数的大型客机维修成本模型,采用协同优化方法对可靠性和维修性设计参数进行协同优化,寻求降低维修成本的满意设计参数。通过对维修成本模型中的设计参数的优化,给出了协同优化方法进行复杂的大型客机维修成本设计优化的一般思路。并用大型客机起落架系统的直接维修成本优化算例验证了协同优化算法解决大型客机维修成本优化问题的有效性。     

飞机冲压空气涡轮系统的动态特性分析

冲压空气涡轮是飞机能源失效时使用的关键应急系统。首先依据冲击空气涡轮（RAT）工作原理确定其物理架构；然后对涡轮部件、能源转换装置、展开装置和展开随动机构等4个主要部件进行力学分析，建立各部件的力学方程组。依据该力学方程组，建立涉及力学、液压、刚体动力学的多学科冲压空气涡轮系统模型。使用该模型仿真了某真实系统在不同工况和设计参数下的动态特性，研究了关键设计参数对系统性能的影响，为冲压空气涡轮系统正向设计提供依据。最终，某型冲压空气涡轮系统风洞试验数据验证了所提系统模型的准确性。     

几何参数对涡轮低压导向器变工况性能的影响

在低速风洞上,对某型弹用涡扇发动机涡轮低压导向器原型和改型进行了变工况条件下的详细流场测量。与原型低压导向器相比,改型低压导向器多种几何参数发生了改变,主要包括采用优化的子午型线、正弯叶片、后部加载叶型以及前缘负冲角设计等,因此二者的冲角特性有较大差异。实验分别对两种导向器叶栅测量了3种工况条件,分别为正冲角工况、设计工况和负冲角工况,并对结果进行了对比分析。实验结果显示:改型不仅在设计工况下能量损失较小,而且具有较好的攻角适应性,表现为在所测工况范围内叶栅出口总压损失随工况的变化幅度很小,而原型出口损失则对冲角敏感,损失变化幅度相对较大。      

基于实测值的舰载机着舰下沉速度影响性分析

舰载机的着舰下沉速度是起落架设计的重要输入,对起落架和机体的结构重量有很大影响。为了探索舰载机使用环境下各相关参数对下沉速度的影响,基于E-2C的实测着舰数据,将多元统计学的相关分析方法应用到舰载机着舰参数影响性分析,分析了17个着舰参数与着舰下沉速度的相关性。结果表明飞机下滑角、甲板俯仰角与下沉速度呈高度相关,舰上接合速度与下沉速度呈中度相关,这三者对下沉速度有很大影响;并进一步对这4个着舰参数进行非线性回归分析,拟合了E-2C着舰下沉速度的计算式,所得回归模型决定系数为0.991,平均绝对误差为1.66%,拟合效果很好。     

1+1对转涡轮气动设计技术研究

分析了对转涡轮方案的影响因素,推导了带导叶对转涡轮基元级速度三角形参数与涡轮效率和出功比的关系,进行了速度三角形的分析,得到了带导叶对转涡轮速度三角形的设计规律。为验证此规律,选取了基元级基本参数,在此基础上,进行了考虑冷却的1+1对转涡轮气动方案的设计;并利用三维数值模拟手段对所设计的气动方案进行了验证。结果表明,所完成的涡轮气动方案能够满足设计要求,且选取的速度三角形基本参数与数值模拟结果较为接近。     

基于TS模糊加权的风电机组变桨距的双模切换优化控制

传统的PID变桨距控制策略存在转速波动较大、变桨的跟随性差等不足。以风速在额定风速以上时,使风力发电机的输出功率稳定在额定功率为研究目标。针对变桨系统的惯性与延迟导致控制过程动态调节时间长、超调量大等问题,提出了基于TS模糊加权的模糊与PID双模切换优化变桨距控制策略。以Simulink为试验平台,搭建了永磁直驱风力发电机组的变桨控制模型。通过仿真验证表明,所提方法具有模糊控制与PID控制两者的优点,控制输出的桨距角精度更高、响应速度更快、功率更加靠近发电机输出的额定功率。     

NPU-WA系列风力机翼型设计与风洞实验

针对兆瓦级大型风力机,研究发展了以具有更优良高雷诺数和高升力气动性能为特点的NPU-WA翼型族,风洞实验表明,该翼型族达到了在高雷诺数、高升力条件下实现高升阻比和外侧翼型对粗糙度不敏感的主要设计要求,为我国自主研发大型风力机提供了可以实际使用的翼型几何数据和雷诺数范围内1.0×106～5.0×106的风洞实验数据。     

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。     

基于浮点编码遗传算法的行星轮系折叠机构优化设计

针对折叠机翼变体飞机,设计一种适合装配在变体飞机小空间的行星轮系折叠机构。在系统研究行星轮系设计目标、设计变量和约束条件的基础上,基于浮点编码遗传算法,使用MATLAB优化工具箱对其主要参数进行优化。结果表明：相对于安全系数法,浮点编码遗传算法可减轻结构重量16．7％,使折叠机构在满足设计指标的情况下达到质量最轻的目的;采用浮点编码遗传算法进行优化求解是行星轮系机构设计的一种行之有效的优化设计方法。     

吊舱发电系统涵道式冲压空气涡轮叶片性能的研究

涵道式冲压空气涡轮是提供飞机吊舱自主发电系统能量的关键部件,其性能直接影响系统的效率。在对比了不同翼型的气动性能之后,优选出具有NACA6321、NACA23015和NACA4412三种翼型的叶片NACAZ1、NACAZ2和NACAZ3作为吊舱发电系统实验用涡轮叶片。采用优化Glauert方法,对上述3种叶片的推力系数、扭矩系数、功率系数与叶尖速比之间的关系进行了计算。计算结果表明:同样风速条件下,NACAZ2的推力系数和扭矩系数最大,NACAZ1的最小;在叶尖速比为2时,NACAZ2叶片的功率系数比NACAZ1的大16%。实验表明:NACAZ2的功率系数最大,NACAZ3的功率系数与NACAZ2的相近,叶尖速比为2时,NACAZ2的功率系数比NACAZ1的大37%。具有NACAZ2叶片的实验涡轮启动性能好,输出功率较大,综合性能较优。     

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。     

风速前馈与变论域模糊结合的变桨距控制

针对传统PID变桨距控制难以在大惯性、强耦合的风力发电机组中取得较好的控制效果,提出了一种风速前馈的变论域模糊变桨距控制方法。根据功率误差及其变化率,通过模糊推理得到输入与输出论域的伸缩因子,避免了确定伸缩因子函数模型及其参数的困难;又采用风速前馈的方式实现桨距角的动态补偿,提高了系统的响应速度。仿真结果表明:当风速超过额定风速时,所提方法能使风力发电机组的转速更加稳定、输出功率更加平稳。     

声学风洞风扇段流场特性数值模拟

风扇段是声学风洞的核心部段之一,风扇气动性能和声学性能对风洞的能耗与试验段背景噪声有重要影响。为了获得静叶构型的优化设计参数,采用数值模拟方法,对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,根据叶片的流动现象,分析了风扇段内部的工作形态,并将其性能与试验数据进行了对比,结果证明该方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟。采用该方法得到了动静叶间距、静叶后掠、静叶倾斜对风扇气动性能、流场形态和噪声的影响,静叶后掠对气动性能的影响较小,有助于减小出口的旋转速度,增大动静叶间距对气动性能的影响较大,会增大出口的旋转速度,而静叶倾斜是最适宜的降噪方式。     

一种实用的风力机叶片气动设计方法研究

提出了水平轴风力机叶片的优化设计模型,该模型以风轮平均年能量输出最大为设计目标,并将风速的概率分布考虑进来。为了获得较好的优化结果,首先采用PROPID程序对叶片进行反设计,获得较好性能的叶片几何,在此基础上,运用遗传算法进行搜索寻优,这样不仅减小了搜索的范围,也降低了搜索的时间。对叶片面积附加约束,以获得符合实际的叶片,采用5阶贝塞尔函数在设计点之间进行插值,以获得光滑的几何外形。利用该方法优化设计了600kW风力机叶片。与已有叶片相比,优化结果显示了明显的优越性,验证了该优化方法的有效性和实用性。     

基于最小成本的巡航马赫数计算分析

巡航速度是飞机重要的性能参数之一,波音等飞机制造公司的性能软件可以计算基于最小成本的巡航马赫数,但考虑的影响因素不全面。给出了最小成本巡航马赫数计算的通用方法,编制了FORTRAIN语言程序进行计算,分析了成本指数、风速、温度、质量等对经济巡航马赫数的影响。为制作最小成本飞行计划,降低航空公司飞行成本,提供了可靠的计算方法和分析依据。     

计及全风况小干扰稳定的双馈风机变换器控制参数设计

随着双馈风电并网容量增大,系统的稳定性与风机变换器控制参数的相关性也越来越大,风机变换器控制参数整定时必须计及电网小干扰稳定性。针对双馈风机单机无穷大系统,建立风机工作在全风况下的小信号模型,采用李雅普诺夫线性化方法并考虑风速分区,分别推导出风机在最大功率跟踪区、恒转速区、恒功率区电网小干扰稳定分析的状态方程。分析风机变换器控制参数与特征根之间的相关性,引入表征系统稳定性强弱的小干扰稳定裕度指标,提出使系统全风况小干扰稳定的风机变换器控制参数设计方案。实例仿真表明:所提方案可快速获取有效参数,并保证全风况下电网小干扰稳定性。