基于改进型升力面自由涡尾迹法的风力机性能研究

为准确模拟风力机高风速偏航工况下的气动特性,以NREL Phase VI实验叶片为算例,考虑叶片旋转导致的失速延迟现象,通过Kirchhoff-Helmholz尾缘分离预估模型与Du-Selig失速延迟模型建立三维尾缘分离预估模型,并与升力面自由涡尾迹法耦合。以更精确预测分离点位置和附着涡诱导速度,讨论叶片弦向布置的涡格数量对计算准确性的影响。对比改进前后的升力面模型模拟叶片在高风速下不同偏航角工况的气动性能,结果表明:改进后升力面模型可大幅提高高风速气动性能预测的准确度,两涡格三维尾缘分离预估模型对法向力系数和弦向力系数的模拟最为精确。     

考虑变桨效应大型风力机塔架-叶片体系气动性能精细化分析

以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°～90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

尾缘加厚翼型的三维旋转特性研究

采用计算流体动力学(CFD)方法对MEXICO试验风力机叶片不同部位翼型在旋转状态下的升阻力系数进行计算,并与试验数据进行比较分析,验证了CFD方法能够准确预测翼型在旋转状态下的升阻力系数。通过采用尾缘对称加厚到5%翼型弦长的DU 97-W-300-05翼型和对应的尾缘未加厚的DU 97-W-300翼型设计,得到沿叶片径向具有相同弦长的风力机叶片,并采用CFD方法对该叶片在旋转状态下的气动特性进行计算。结果表明:在旋转状态下,当攻角小于15°时,尾缘加厚翼型的升力系数比相对应的尾缘未加厚翼型大10%左右;尾缘加厚翼型在旋转状态下的粗糙度敏感性好于相对应的尾缘未加厚翼型;随半径增大,尾缘加厚翼型和对应的尾缘未加厚翼型的升力系数都增大,但失速提前,尾缘加厚翼型升力系数增大得更明显。     

覆冰对风力机专用翼型气动性能影响的数值研究

利用商用CFD软件和S-A湍流模型,对风力机常用的NREL S809翼型在不同覆冰形态、覆冰厚度下的静态流场和动态流场进行了数值计算,得到了Re=1×106时各种覆冰情况下该翼型的气动性能,并研究了不同的覆冰形态对风力机翼型静态、动态失速特性的影响.结果表明：向吸力面生长的覆冰形态会造成覆冰层后的分离涡,随着攻角的增加分离涡向后缘生长,造成升力系数的较大下降,阻力系数增加;沿弦向生长的覆冰对尾缘分离涡的生成影响较小;在动态失速情况下,翼型周围流场比较复杂,覆冰形态对翼型升力系统的影响规律也较复杂;从静态流场特性分析,覆冰破坏了翼型的流线从而直接影响了翼型的气动性能;从动态流场特性分析,覆冰改变了翼型动态升力系数曲线的斜率从而影响到风力机的气动弹性稳定性.     

分形尾缘叶片气动性能及流场数值模拟

针对风力机存在尾流效应问题,通过在垂直轴风力机叶片尾缘布置分形孔的方法,建立分形叶片三维实体造型,进行了分形叶片和原始叶片三维非定常不可压流动的分析,得出叶片绕流流场数值模拟结果,重点研究具有分形特征的尾缘对叶片尾流流场及叶片气动特性的影响。结果表明:分形叶片对改善叶片尾流流场有较显著作用。在8°~18°攻角范围内,分形叶片升、阻力系数随攻角变化波动性小于原始叶片;当攻角大于原始叶片失速攻角时,这种波动性差距更大。分形孔的存在使叶片周围流场结构及气动参数对攻角变化敏感性降低:在攻角大于原始叶片失速攻角时,分形叶片阻力系数随攻角变化标准差仅为原始叶片的0.6倍,升力系数标准差仅为原始叶片0.4倍。研究结果将改善垂直轴风力机叶片尾流互相干扰及水平轴风力机叶尖脱落涡情况。     

尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

以Phase Ⅵ风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。     

偏航与变桨工况对风力机尾流特性影响研究

风力机的偏航与变桨可有效降低风轮对风能的捕获能力.为分析风力机处于变桨与偏航两种状态下其尾流及输出功率特征,文中采用修正的风力机致动线模型,以NREL 5 MW为研究对象,结合大涡方法,从两种偏航角度(以+z为轴顺时针旋转10°和15°)、两种变桨角度(增大桨距角12°和减小桨距角8°)展开模拟研究.研究结果表明:风力...     

凹凸前缘叶片气动性能与绕流流场数值研究

以NACA0018翼型为原始模型进行前缘结构设计,采用计算流体动力学(CFD)方法分析凹凸前缘结构参数对叶片绕流流动及气动性能的影响。结果表明:在0°～10°攻角范围内,凹凸前缘叶片气动性能与原始叶片基本一致,但在15°～25°攻角范围内,正弦波形凹凸前缘叶片升力系数最大提升20.2%;叠加波形凹凸前缘叶片在15°～25°攻角内,气动性能均有不同程度的下降,波峰处推迟分离,而在波谷分离提前,在吸力面每个波谷顺流方向叶片及展向形成反向涡对,相互卷吸并与主流掺混增加能量交换向尾缘处移动,改变了叶片原始流场反馈回路,阻碍了叶片展向涡及流向涡的发展。