风力机叶片表面压力的计算与外场测试分析

研究在外场工况下,对风力机叶片表面压力的测试方法,并将测试结果与CFD计算结果进行比较。为了获取叶片在外场非稳态工况下的压力信息,沿叶片展向选取7个典型段面布置带式压力传感器。在数值计算中,通过数码扫描得到试验翼型的几何形状并建立计算模型,用非压缩的N—S方程和SSTk-w。湍流模型耦合,分别对7个翼型的气动性能进行计算。通过对试验和计算结果的对比发现,因为三维旋转效应的存在,基于动量叶素理论的二维翼型计算常常低估了实际风轮动力的产生,旋转叶轮表面压力分布和二维翼型计算结果明显不同。     

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。     

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。     

基于改进NSGA-II算法的风力机叶片多目标优化设计

一种结合了精英控制策略和动态拥挤距离方法的改进的快速支配排序算法(Fast and elitist non-dominat-ed sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)被用于风力机复杂的多目标优化设计中。作为此算法的应用算例,以风轮的年发电量最大、叶片的质量最小和叶片根部的极限推力最小为目标,分别进行了两目标和三目标的1.5 MW风力机叶片的优化设计。研究表明:两目标优化给出的Pareto最优解集分布在一条曲线上,而三目标的优化结果基本分布在一个有明显边界的五阶曲面上。同时也可以看出,此算法在处理风力机多目标优化问题取得了良好的效果,给出的是一个Pareto最优解集,而不是传统优化方法追求的单个最优解,为风力机多目标优化设计提供通用的算法。     

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。     

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。     

风力机翼型动态测压试验技术研究

结合国家高技术研究发展计划课题“风力机先进翼型族的设计与试验研究”,针对动态试验设备研制、数据采集和处理方法,在西北工业大学1.6m×3.0m低速翼型风洞(NF-3风洞)开展了风力机翼型动态测压试验技术的研究.采用S809风力机翼型模型,在雷诺数0.75×106和1.4×106、迎角-2°~+18°条件下,通过改变模型3个平均迎角、3个振荡频率和2个振幅角等状态,进行了动态测压试验,并与静态测压及国外试验结果进行了对比.结果表明:NF-3风洞研制的试验设备,采用的数据采集和处理方法能够应用于风力机翼型的动态测压试验,并可推广应用于其他的翼型动态测压试验研究.     

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...     

水平轴风力机偏航与俯仰尾流特性

风力机的尾流干扰效应是影响风场下游风力机性能和风场出力的主要因素，通过调整风轮姿态可有效改善尾流干扰效应，但同时也引入了更为复杂的非定常气动特性和尾流场分布。为了研究风轮姿态控制的尾流特性，基于升力线和自由涡尾迹模型建立了水平轴风力机气动和尾流仿真模型，以NREL 5MW风力机为研究对象，在额定风速条件下，研究了叶轮偏航和俯仰工况下的尾流结构特性。在此基础上，对存在风切变和塔架影响时的风力机偏航和俯仰工况产生的尾流干扰进行了分析。研究结果表明：风轮的偏航和俯仰会引起尾流涡结构失稳提前、远尾流区湍流度增大，同时会导致尾流中心发生偏转和尾流作用区域减小，并加快速度亏损恢复，降低尾流效应对下游的干扰。风切变会产生类似风力机俯仰的效果，使得尾流抬升，作用区域减小。塔架对近尾流区的干扰较为显著，而俯仰控制会降低塔架对尾流的干扰。