单桩结构的潮流能水轮机尾流流场分析

为降低潮流能水轮机尾流效应对机组间距的影响,合理布置水轮机位置,通过数值模拟和水槽实验的方法对具有单桩支撑结构的潮流能水轮机尾流流场进行研究,在此基础上分析具有单桩支撑结构和不同安装高程对潮流能水轮机尾流流场的影响。结果显示:数值模拟与水槽试验总体上数值模拟与实验结果的趋势具有一致性;单桩结构对纵向近尾流场造成影响,会产生一个谷值突变;安装高程越高则导致沿转轮中心直线处的流速恢复越快。     

水平轴潮流能水轮机尾流特性研究

文章以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用CFD方法对水轮机的尾流特性进行分析。通过网格无关性验证与已发表文献的比对,验证了CFD方法的精度。通过不同叶尖速比下的水轮机性能曲线,进一步分析了水轮机的尾流场速度分布特征。通过分析尾流场中轴向、径向和切向速度的分布特点,研究了水平轴潮流能水轮机尾流的微观结构特征及其演化规律。研究结果表明:尾流横向影响范围在以中心轴线为中心的1D范围内;在近尾流处,尾流速度具有周期性,轴向速度随着尾流下移而逐渐减小;在尾流旋转过程中,径向速度向外扩散并逐渐衰减,切向速度分量沿轴向逐渐衰减。     

阻塞比对潮流能水轮机尾流特性影响数值模拟研究

首先通过对比分析数值模拟结果与水槽实验尾流场速度数据,验证数值模拟的准确性。通过在软件STAR-CCM+中改变水槽宽度的模型,使水轮机阻塞比分别在9.8%、14.7%和29.5%的情况下进行模拟计算,分析潮流能水轮机尾流特性的变化。结果显示,阻塞比的变化不仅会改变水轮机扫略区域外流体速度,影响远尾流恢复速度,还会对尾流的旋转和湍动能分布造成影响;但随着槽宽增加阻塞比减小,其对尾流特性影响逐渐减弱。     

水平轴潮流水轮机转轮尾流特性数值分析

针对潮流水轮机转轮尾流对机组之间水力性能的干扰问题,利用CFD分析软件Fluent对单个水平轴潮流水轮机转轮模型和10倍转轮直径间距下的两台机组模型在额定流速条件下进行三维流场的数值模拟。结果表明,在水轮机转轮旋转平面内不同半径位置处的尾流流速恢复情况明显不同,离旋转轴线越远,尾流流速恢复越快,其流速亏损也越少;当水轮机组之间串列布置,且来流方向与旋转平面垂直情况下,下游机组运行受上游机组转轮的尾流影响较大,应尽量避免该布置方式。     

横向布置单桩潮流能水轮机的数值模拟研究

文章以单桩潮流能水轮机为研究对象,通过数值计算的方法对横向布置下两台单桩潮流能水轮机的尾流场及机组性能进行研究。通过对比不同横向间距下单桩潮流能水轮机的尾流场,获得了横向间距对潮流能水轮机尾流场的影响规律。数值计算结果表明:单桩结构会改变水轮机的纵向尾流场,但对横向尾流场的影响较小;随着横向间距的改变,机组的功率系数和推力系数的变化幅值不超过0.01;横向间距对机组的横向尾流场也造成了影响,导致各个机组的尾流中心偏向两个机组的中间位置,且随着横向间距的增大,机组u/U0低于0.9的范围随之增大,幅值可达0.26D。     

真实地形条件下潮流场及水轮机的数值模拟与研究

为了考察实际潮流场地形因素对实尺度水轮机影响,用数值模拟方法研究潮流场内部流动在海底地形作用下的变化规律,并探讨其对水平轴潮流能水轮机水动力学性能的影响。对安放水轮机位置处流速随水深的变化规律进行分析,讨论上游来流在底部地形和水轮机双重因素作用下的变化趋势;着重对比在不同工况下海底地形条件对水轮机水动力学性能的影响,并进一步分析真实潮流场中水轮机尾流的分布特性,为未来大尺度潮流能水轮机的设计优化及性能预测提供依据,并为复杂海况下潮流能水轮机水动力学研究提供一种思路和方法。     

海浪条件下水平轴叶片式潮流能水轮机流动特性的数值模拟

为了研究自由海浪条件下的高潮汐流速对水平轴潮流能水轮机的动态特性影响，基于STAR-CCM+建立了海浪条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模拟方法，得到了海浪对潮流能水轮机转动影响规律及转动过程中产生的尾流特征。结果表明，潮流能水轮机角加速度的幅度与频率受海浪影响，但波动幅度小于海浪波动幅度、变化频率高于海浪波动频率；水轮机转动产生的尾流会使下一个水轮机的周围流场更紊乱，对叶片转动的影响、水轮机轴负载和能量利用率等方面会产生影响；压力脉动变化趋势分析认为，尾流对水轮机疲劳损伤并无太大影响。     

不同交错排布对潮流能垂直轴水轮机性能的影响

为了优化潮流能垂直轴水轮机排布方案,采用计算流体动力学(CFD)方法得到双水轮机在不同轴间距H、不同相对位置角(RPA)β及前后排水轮机不同尖速比λ下平均功率系数CP变化规律,分析流场的速度和涡量云图,解释变化机理.同时,对比单、双水轮机尾流速度分布情况,探究双水轮机尾流特性.结果表明:后排水轮机处于前排水轮机尾流区内...     

多工况条件下变叶片数潮流能水轮机能量及流动特性研究

文章建立了潮流能水轮机水动力性能数值计算模型,通过实验验证了利用该模型预测水轮机尾流的准确性,并利用该模型研究了潮流能水轮机在不同叶片数和不同叶尖速比条件下的能量和流动特性。研究结果表明:该数值计算模型在预测尾流速度亏损和湍流强度方面具有较好的精度,尤其在远尾流区,数值计算结果与实验结果保持一致;当叶尖速比(TSR)为4.5左右时,3叶片和4叶片的潮流能水轮机具有相对较高的获能系数,此结果对于水平轴潮流能水轮机的设计具有一定的指导意义。     

偏流条件下水平轴水轮机水动力学性能与尾流场研究

针对水平轴水轮机在偏流条件下的复杂水动力学问题,借助计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立了水轮机的计算模型并通过试验数据验证了模型及方法的可靠性,之后对不同偏流角下的水平轴水轮机的水动力学性能及尾流场进行了研究。结果表明,随着偏流角的增大,水轮机的平均功率系数和推力系数逐渐下降,而瞬时功率系数、推力系数和压力脉动系数的波动幅值逐渐增大。此外,水轮机的尾流场将变得十分复杂和不稳定,并在下游相应位置处出现反向漩涡,但尾流速度恢复明显加快。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

Reynolds number dependence of turbulence statistics in the wake of wind turbines

A wind tunnel experiment has been performed to quantify the Reynolds number dependence of turbulence statistics in the wake of a model wind turbine. A wind turbine was placed in a boundary layer flow developed over a smooth surface under thermally neutral conditions. Experiments considered Reynolds numbers on the basis of the turbine rotor diameter and the velocity at hub height, ranging from Re = 1.66 × 10⁴ to 1.73 × 10⁵. Results suggest that main flow statistics (mean velocity, turbulence intensity, kinematic shear stress and velocity skewness) become independent of Reynolds number starting from Re ≈ 9.3 × 10⁴. In general, stronger Reynolds number dependence was observed in the near wake region where the flow is strongly affected by the aerodynamics of the wind turbine blades. In contrast, in the far wake region, where the boundary layer flow starts to modulate the dynamics of the wake, main statistics showed weak Reynolds dependence. These results will allow us to extrapolate wind tunnel and computational fluid dynamic simulations, which often are conducted at lower Reynolds numbers, to full‐scale conditions. In particular, these findings motivates us to improve existing parameterizations for wind turbine wakes (e.g. velocity deficit, wake expansion, turbulence intensity) under neutral conditions and the predictive capabilities of atmospheric large eddy simulation models. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

长方体建筑长宽比对屋顶风力机微观选址的影响

采用CFD方法,对长宽比分别为0.25、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90的8种长方体单体高层建筑物顶面的风流场特征进行模拟计算,确定长宽比对长方体建筑物顶面风力机微观选址的影响.结果表明:长宽比越大,建筑顶面低风速区域越大,且风速随高度增长得越慢,而迎风面拐点风速恢复最快;同时由于建...     

水平轴风力机尾迹流场试验

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用旋转单斜丝热线在风轮下游进行尾迹流场速度测量。采用周期性采样和锁相平均技术热线测量技术,获得了风轮下游尾迹三维流场的定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。试验结果表明:风轮下游尾迹区内气流存在明显的三维性。尾迹在向风轮下游的发展传播过程中,尾迹中心形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线。尾迹区内的速度亏损随风轮下游轴向位置的增加而减弱,在气流向下游流动的过程中尾迹速度亏损值逐渐衰减,尾迹区的宽度不断扩大,并逐渐与主流掺混融合。尾迹区内相同轴向位置上不同叶高处的速度型相似。在叶片的尾迹区内,流动的紊流强度大大高于周围的非尾迹区,其中紊流强度径向、切向分量较大,轴向分量最小,尾迹区内的紊流具有高度不均匀性。     

风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

苏北区域台风外围风特性研究及对风电机组选型的影响

利用台风"温比亚"影响期间苏北区域4座测风塔的实测风数据,对苏北沿海平原地区台风外围影响下的风切变、湍流强度和阵风系数进行对比分析,同时探讨台风外围风特性对风电机组选型的影响.结果表明:台风外围各扇区风速在由海岸到内陆约50 km内衰减最为明显,随后风速衰减逐渐放缓;台风外围各扇区风切变、湍流强度和阵风系数均在由海岸到...     

沿海滩涂风力机近尾流风速分布特性研究

为获得风力机近尾流风速在垂直方向和水平方向的变化规律,提出一种测量风力机近尾流区风速的实测方法。针对某沿海滩涂风电场,采用2台搭载风速仪的无人机对近尾流区进行测量。结果表明：垂直方向,尾流和来流风速比值在1.0D~2.5D处（D为风轮直径）随着高度的增加呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值0.53~0.68;风速比值沿轮毂中轴线呈非对称分布。0.5D处风速比值分别在上下风轮处存在2个极小值0.56和0.50。水平方向,风速比值在1.0D~3.0D处沿径向距离从左向右呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值（0.54~0.78）;风速比值沿轮毂中轴线呈对称分布,随着风轮下游距离的增加呈扩张趋势。最后给出用于A类风场风力机下游尾流风速剖面的预测公式。