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。     

基于自由涡方法的风轮偏航气动特性研究

采用非线性升力线方法和时间精确自由涡方法,对风切变条件下风轮的偏航气动特性进行了非定常数值模拟。为了改善非线性升力线方法的计算收敛性,提出了基于Newton-Raphson方法的环量方程迭代算法。建立了一种包含粘性涡核并由自由涡面和叶尖涡线构成的改进尾迹模型,可以提高尾迹的计算精度和效率。以NREL Phase VI风力机和Tj?reborg风力机为算例,分别对均匀风和切变风条件下、风轮处于不同偏航角时的气动力进行计算,并与测量值进行了比较。分析了风切变和偏航风对风轮气动特性产生影响的主要因素及风轮气动特性的变化规律。结果表明:计算方法可以有效模拟风切变条件下风轮偏航气动特性;在风切变条件下,偏航会增加叶片扭矩的波动,当风轮处于正偏航角时,叶片挥舞力矩的波动减弱,处于负偏航角时,挥舞力矩波动增强。     

考虑风切变影响的三维尾流模型风场实验

针对目前风力机尾流模型只能描述远尾流区域的尾流分布而忽略了近尾流区域的尾流特征的问题，基于双高斯函数，利用流量守恒定理并通过旋转修正推导了一个新的三维尾流模型。该尾流模型考虑了风切变的影响，并且能够描述近尾流区域以及远尾流区域的三维尾流分布特征。采用两台地基扫描激光雷达进行了风场实验，实验数据表明水平方向的近尾流分布类似于对称双高斯形、远尾流区域类似于对称高斯形，而垂直方向由于受到风切变的影响，在近尾流区域尾流分布类似非对称双高斯形、远尾流区域分布类似非对称高斯形。利用实测数据对三维尾流模型预测的水平剖面以及垂直剖面进行了对比验证，验证结果表明三维尾流模型的预测曲线和实验数据吻合良好，其平均相对误差大部分都在5%以内。新提出的三维尾流模型能够较好地预测风力机下游的整个尾流区域的空间分布，可为风电场的布局提供优化方案。     

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。     

水平轴风力机主动尾流控制综述

对于大型风电场而言,由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制（AWC）技术通过上游风力机的偏航来诱导尾流侧向偏转,以减弱对后排风力机的尾流干扰、增加风电场的总产能,应用前景极其广阔。本文从无偏航风力机尾流模型、偏航风力机尾流模型、多风力机尾流叠加方法和风电场产能优化四个角度,综述了AWC技术在过去近20年的研究进展,并对该技术走向工程应用中所亟需解决的问题进行了展望。整体来看,该项技术已经基本成熟。研究人员从最初的理论、仿真和风洞实验研究,走向了实际风电场的效果验证。在理论预测层面,高斯尾流亏损模型、基于旋涡诱导横向速度的一次和二次尾流偏转模型、具备动量守恒特性的尾流叠加方法正在成为风电场产能预测的标配。实际工程应用层面,风力机间距、排数、湍流度、大气边界层热稳定性、风向和风速变化均会影响AWC所带来的产能收益;典型条件下,应用AWC技术后,全尾流干扰风向上的风电场产能可提高约5%～15%,各个风向平均后的年均收益约为1%～3%。     

风力机尾流数学模型及尾流对风力机性能的影响研究

为了合理布置风力机，尽量减小风力机尾流的影响，提高风电场效率，使风电场的经济性达到最佳，用风力机AV尾流数学模型计算了风力机尾流区速度分布和处于尾流区的风力机性能所受到的影响，计算结果和实验结果比较表明；AV尾流模型在一定程度上可以模拟风力机尾流区的速度分布，用来计算处于尾流区风力机性能是可行的。     

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,本文基于DDES（延迟分离涡方法）建立了螺旋桨空化流场数值预报模型。为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨（VP1304）螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。随后基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析。计算结果表明：结本文所建立数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生的越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。     

风力机远尾流的计算研究

基于工程上广泛使用的Park模型构造了一种新的远场尾流计算模型,同时又提出了一种CFD与制动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行了数值模拟.新的尾流计算模型是由一维Park模型进行三角函数修正得到的,CFD方法是结合制动盘理论使用FLUENT提供的Fan边界数值求解整个尾流流场.给出了单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布以及风力机下游不同位置处的径向速度分布,并与风洞实验结果以及Park模型的计算结果进行分析对比,表明本文的两种计算方法都能够较好地捕捉尾流的流场特性.由于新的远场尾流计算模型较之原Park模型能够更准确地反映径向尾流分布,且计算量非常小,因此可作为工程开发的有效工具.制动盘理论结合CFD的方法也能够在计算量相对较小的情况下,准确的反映远尾流的流场信息,这两种方法都可为风场微观选址和风力机排布提供参考依据.     

旋翼尾流对空空导弹的气动干扰研究

直升机发射导弹时,旋翼尾流对导弹产生很强的气动干扰,研究旋翼尾流对导弹的气动干扰对于改进机载导弹发射技术具有重要意义。结合动量理论和涡流理论,推导了桨叶环量方程,用广义尾流模型计算了旋翼下洗流场。并在此基础上用工程方法计算了有旋翼尾流干扰和无旋翼尾流干扰两种条件下的某空空导弹气动特性,揭示了旋翼尾流对导弹的气动干扰规律,为直升机载导弹的发射控制提供了参考依据。     

导弹多喷流干扰特性数值计算分析

给出一种直接力/气动力复合控制的空空导弹计算模型,应用CFD软件对其侧向多喷流干扰流场进行了数值模拟;选择四种代表情况,重点研究分析了不同侧多喷流对导弹气动特性的影响。研究结果表明,喷流干扰使得升力系数和俯仰力矩系数减小,并产生较大的偏航干扰力矩,同时喷流的间距也影响俯仰力矩系数和偏航力矩系数。所得结论具有一定的参考价值。     

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。     

桥塔尾流致塔周长吊索涡振性能研究

悬索桥桥塔周围的长吊索自振频率较低,且易受桥塔尾流的干扰从而容易发生振动。吊索的安全直接关系着桥梁结构的安全,以实际工程为背景,采用CFD数值模拟方法并选择SST k-ω湍流模型对二维桥塔断面及吊索断面的非定常绕流进行了分析。首先,计算了桥塔和吊索各自的气动特性,并与相关文献的结果进行了对比。在验证分析方法可靠性的基础上,进一步研究了不同来流风速、风向角下,桥塔尾流对塔周长吊索气动特性的干扰。通过对流场特征及吊索气动力的变化规律进行分析,研究了桥塔尾流作用下塔周长吊索发生涡振的可能性。研究结果表明:在相当大的风向角范围内,桥塔脱落的旋涡会对吊索气动特性产生控制作用,从而导致吊索阻力系数和升力系数的变化频率等于桥塔的旋涡脱落频率,使吊索在低风速下存在发生涡激共振的可能性。     

基于涡尾迹方法的风力机载荷与响应计算

采用涡尾迹方法计算准定常气动性能,结合Leishman-Beddoes动态失速模型计算叶片的非定常气动力。应用有限元分析软件,分析风力机在不同转速下的风轮模态,塔架的前后、左右振动模态。基于非定常气动力和结构振动模态,针对风力机风轮,建立其结构运动方程。求解出的叶片振动速度加入到非定常气动力的计算中,从而建立了考虑叶片振动的风力机载荷、响应计算模型。分析了Phase VI叶片和某1.5MW风力机各个叶片截面的气动力、振动位移和振动速度随时间的响应曲线,表明该方法能够较好地计算出风力机的气动性能、载荷和响应。     

湍流强度对S型风力机气动性能影响的研究

上游的建筑物、风力机群等会造成其下游一定空间范围内风场的速度、方向和湍流强度等参数的变化,这些参数变化会引起下游风力机气动性能的改变.其中的湍流强度指标是重要参数之一,本文即研究来流湍流强度对S型风力机气动性能的影响.利用fluent软件采用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,数值模拟三种不同湍流强度对S型垂直轴风力机的性能影响.结果表明S型风力机风能利用性能随着来流湍流强度的增加而减小,在风力机处于湍流强度为10％的条件下,最大功率系数要比在低湍流强度0.2％下低50％左右.因此在实际风场中,欲增加风力机的气动性能,需要尽量减少风力机上游能够增强湍流强度的扰动物体.     

不同涡脱落模式下垂直轴风力机叶片的气动响应

为研究尾流中不同涡脱落模式下垂直轴风力机(vertical-axis wind turbine,VAWT)叶片的气动响应，基于攻角变化相似性，进行了叶片正弦俯仰振动的比拟实验。研究发现：在弦长雷诺数O(10⁵)范围内，尾流存在3种涡型结构：前缘离散涡(leading-edge vortex,LEV)、蜿蜒尾流(undulating wake,UW)和反卡门涡街(reverse von Kármán vortex street,Rv KVS)；随着叶尖速比λ增大，VAWT叶片缩减频率k增大，攻角幅值α m减小；叶轮叶片几何尺度比R/c较小时，在低λ产生LEV涡型的可能性较小，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较大；R/c较大时，在低λ产生LEV涡型的可能性较大，在高λ产生Rv KVS涡型的可能性较小。LEV涡型导致轻动态失速，造成VAWT叶片发生高频俯仰振动，但对叶轮转矩和VAWT功率影响不大。Rv KVS涡型的出现，伴随叶片升力和转矩幅值增大以及平均推力的产生，会使VAWT叶片扭矩载荷增大，也会使叶轮转矩和输出功率提升。据此提出基于VAWT的新式风墙构型，在继承N...     

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。     

考虑尾流效应的风力机组输出功率和疲劳性能模拟

上游风力机旋转引起的尾流效应会对下游风力机的输出功率和疲劳特性产生显著影响。本文选用美国国家可再生能源实验室开发的FAST.Farm开源程序,基于准稳态条件下雷诺平均Navier-Stokes薄剪力层近似解,研究了不同布局情况下处于尾流场风力机的功率特性和疲劳性能。结果表明,尾流场中平均风速与湍流强度的变化规律不一致。尾流场中风力机的输出功率与风速变化相对应,随着距离增加呈现单调增长的趋势。参考乌鲁木齐和西宁两地的实测风速概率分布曲线,确定了叶根和塔底位置的疲劳寿命。叶片在低风速区间,风速损失对疲劳性能的影响程度相比于湍流强度的影响更为明显。因此,对于水平面内不同布局,处于尾流场中的风力机的叶片疲劳性能有一定程度的改善,但在（X=4.0D,Y=0D）位置处疲劳寿命出现明显缩短。相比于叶片而言,水平面内不同位置（除Y=1.5D平面外）,塔底疲劳寿命均存在不同程度的衰减。上述结论可为大型风电场布局设计和优化布置提供理论依据和设计参考。     

匀速俯仰运动及角速率对横向喷流的影响

为研究运动对横向喷流干扰特性的影响,数值模拟了导弹模型匀速俯仰运动过程的超声速横向喷流,获取了运动状态下的横向喷流干扰量,并对比分析了俯仰运动和角速率对喷口附近流场结构、模型表面极限流线、表面压力分布和子午线压力变化及气动特性和干扰放大因子造成的影响。结果表明：模拟参数范围内,动态及角速率影响随运动方向及迎角范围而发生变化;中小迎角时主要影响上游分离区和尾部偏折效应,大迎角时弓形激波位置变化显著;俯仰运动的气动特性和横向喷流干扰特性出现动态迟滞,且随角速率增加而增强;动态大迎角下由于压力平台效应减弱,其力矩放大因子受俯仰运动影响更为明显,出现偏离静态的不利结果。     

ARJ21飞机遭遇不同前机尾流的响应和安全性研究

为研究在实际飞行中国产ARJ21飞机遭遇前机尾流时受到的气动力、力矩及飞行安全问题，基于经典尾涡模型和空气动力学响应模型，对ARJ21飞机遭遇尾流的响应和安全性进行了分析。首先，通过尾涡耗散模型和速度模型，建立了不同前机尾涡速度场；然后，根据ARJ21飞机空气动力学响应模型进行求解，得到其升力和滚转力矩；最后，将计算结果与过载增量指标和滚转力矩系数指标进行比较，分析了国际民航组织(ICAO)规定的中型机尾流间隔下ARJ21飞机的飞行安全性。研究结果表明：当ARJ21飞机以ICAO规定的中型机尾流间隔遭遇尾流时，过载增量均小于0.15(即处于无颠簸状态),最大滚转力矩系数均小于0.048;当滚转力矩系数在0.048～0.070时，相比于ICAO规定的中型机尾流间隔，ARJ21飞机跟随中型机的尾流间隔可以缩减2.2～2.7 km,跟随重型机的尾流间隔可以缩减0.7～1.8 km,跟随超重型机的尾流间隔可以缩减2.4～3.4 km。     

小展弦比飞翼标模纵航向气动特性低速实验研究

对小展弦比飞翼气动布局外形,通过常规测力风洞实验方法得到其纵向气动特性和偏航控制特性,在分析其气动特性后,选取典型的状态采用 PIV 实验方法对其流动机理进行研究,研究表明小展弦比飞翼在较小的迎角下即出现前缘分离涡,随着迎角的增大,前缘分离涡强度增大,且逐渐往机体对称面方向移动,随着迎角进一步增大,分离涡变得不稳定,涡核开始摆动,最终破裂,破裂位置从后缘开始,逐渐前移。对小展弦比飞翼气动布局飞机的控制难点偏航控制进行研究,结果表明该飞翼布局模型在实验迎角范围内偏航方向是静稳定的,在小迎角下具有可操纵性,迎角大于6°后嵌入面处于破裂的前缘涡尾迹之中,操纵性降低。