基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响。结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性增大;随风速和叶尖速比增大,叶片最大变形量对应呈增大和减小的趋势;随偏航角增大,叶根最大应力集中区域逐渐减小,叶片后缘应力逐渐减小。沿叶片展向,从叶根到叶尖,轴向速度逐渐增加,叶尖增大的程度较叶根大,随偏航角增大,叶尖位置的轴向速度增大的程度降低;涡量逐渐减小,随偏航角增大,对叶尖涡量影响较中心涡量大;湍动能总体呈先减小后增大的趋势,且当偏航角为5°~25°时在相对半径0.6R（R为风轮半径）位置处为最小,偏航30°在0.7R处为最小。     

水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究

动态失速对水平轴风力机的运行性能影响很大，大量的实验和分析显示，水平轴风力机在动态失速工况下其运行载荷将增长50～100％，而风力机翼型的动态失速特性是分析水平轴风力机动态失速特性的基础。本文应用CFD软件Fluent6．0对NREL S809翼型的二维动态流场进行了数值模拟，得到了翼型攻角在9*～31*范围内按正弦周期变化时的绕流流场。计算结果显示：动态失速下翼型的绕流流场与相同工况下的静态绕流流场有着十分明显的差别，同时也引起翼型升力、阻力系数的显著变化。     

水平轴风力机尾迹流场PIV实验研究

在水平轴风力机模型不同尖速比条件下,利用PIV粒子图像测速技术对风轮尾迹流场进行了测量。采用锁相平均测量技术,获得了风轮尾迹流场的瞬时速度场、时均速度场、涡量场等有关定量信息,为准确计算风力机的流场、载荷和气动特性等提供了依据。实验结果表明:风轮叶片尾缘后侧的尾迹中存在轴向速度亏损区。尾迹在叶片尾缘生成后,随即发生膨胀。直到风轮下游2倍弦长以后,尾迹低速区逐渐衰减,轴向速度不断增加,尾迹区同时发生收缩现象。风轮尾迹涡从叶片尾缘脱落后,在向下游发展传播过程中,尾迹涡的涡心所形成的运动轨迹是与风轮叶片旋转方向相反的螺旋线,涡量数值随着螺旋线向风轮下游的延伸而减小。由于风力机叶片数少,相邻叶片之间的尾迹基本上不存在互相干扰的现象。     

仿鸮翼非光滑前缘对风力机叶片气动性能的影响

经过数百万年的进化,鸮形目鸟类在其飞行行为上显现出许多优异的特征。文章选取鸮翼的非光滑前缘作为仿生对象,设计出一种仿生风力机叶片,并分析非光滑前缘结构对风力机叶片气动性能的影响。采用S-A湍流模型,对低雷诺数下原型风力机叶片和仿生风力机叶片进行绕流流场模拟。模拟结果表明,在大攻角下,仿生风力机叶片的前缘凸起能够改变气流在叶片表面的流向分布,使气流在吸力面仍保持附着流动,进而减少叶片吸力面的失速区,有效延缓叶片失速现象的发生,从而使得仿生风力机叶片的失速角比原型风力机叶片的失速角推迟了10°左右,改善了风力机叶片的气动性能。     

不同环状缝隙宽度下管道车车后断面轴向流速特性研究

管道车车后流场作为柱系绕流流场的一部分,尾迹绕流可能会对管道车柱系结构产生影响,进而影响管道车柱系结构稳定性。为此分析了4个不同缝隙宽度下管道车车后断面的轴向流速特性。结果表明,车后断面轴向流速受管道车结构影响呈区域性分布;距离管道车一定时,环状缝隙越小,相同断面轴向速度变化幅度越剧烈;管道车车后轴向流速变化幅度沿程减小,管道车对水流的影响沿程衰减,速度大小沿程向断面平均流速靠拢。     

风力机叶片三维流动特性与气动性能的数值分析

采用基于雷诺平均的三维可压N-S方程,对美国国家可再生能源实验室开发的PhaseⅥ实验风力机叶片在7m/s来流下的绕流流场进行全三维数值模拟.通过对数值模拟得到的叶片表面压力分布与实验测量值的比较,验证了数值模拟的有效性,并在此基础上分析了叶片各截面的失速情况、叶片的三维绕流特性以及叶展方向上的升阻力系数与功率分布.数值模拟数据显示,相比简单的对二维数值模拟结果进行堆叠,全三维的数值模拟能够更准确的反映叶片绕流的气动特性.     

叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速（PIV）系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示：虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。     

应用BEM理论与嵌套网格技术的风力机性能预测对比研究

分别采用BEM理论和基于嵌套网格技术的CFD方法,以两叶片NREL Phase VI风力机为研究对象,对不同风速下的风力机性能预测进行研究。将两种方法得到的预测结果与实验结果进行对比。结果显示,BEM方法在全风速范围内与实验值吻合良好,嵌套网格技术方法在低风速区能准确地对风力机性能进行预测,并能显示出叶片绕流流场的流动细节,但在高风速区对风力机的性能预测有较大偏差。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

集成在建筑上的达里厄型风机气动性能的数值模拟

风能在建筑中的应用已经成为研究的热点。基于计算流体力学方法,采用滑移网格技术和SST k-ω湍流模型,对风力机与建筑一体化二维模型的绕流流场进行了数值模拟,考察了风力机在不同来流速度和转速下的气动性能,分析了来流速度和尖速比对风力机平均转矩系数和平均功率系数的影响,总结了能量利用效率随尖速比变化的规律。研究表明:迎风面的风力机能有效提高平均功率系数,最佳尖速比接近2。     

风力机叶片涂层风沙冲蚀磨损特性的风洞试验研究

传统的挟沙冲蚀试验台与风沙风洞难以构建均匀风沙流场,难以准确反映风力机叶片的风沙磨损特性。因此,在改造的风沙风洞中,通过对风力机叶片平板试样开展涂层冲蚀磨损试验,探究不同冲击速度、冲击角度及有效截面质量流率对风力机叶片涂层材料冲蚀特性的影响规律。试验结果表明：有效颗粒质量流率一定时,在相同冲击速度与冲击时间内,磨损量在冲击角度约为30°时达到最大。小于30°时,磨损量随冲击角度的增大而快速增加,大于30°时磨损量随冲击角度的增大而逐渐降低;磨损量随冲击速度的增大而增大;磨损量随有效颗粒质量流率的增大而呈线性增大趋势;切削磨损量与总磨损量有相同趋势,冲击磨损量随着冲击角度的增大而逐渐增大。     

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。     

An Experimental Study on 3—D Flow in an Annular Cascade of High Turning Angle Turbine Blades

ＡｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎ３－ＤＦｌｏｗｉｎａｎＡｎｎｕｌａｒＣａｓｃａｄｅｏｆＨｉｇｈＴｕｒｎｉｎｇＡｎｇｌｅＴＵｒｂｉｎｅＢｌａｄｅｓ￥ＷａｎｇＷｅｎｓｈｅｎｇ；ＬｉａｎｇＸｉｚｈｉ；ＣｈｅｎＮａｉｘｉｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ...     

前缘结节对风力机气动性能影响的数值研究

基于座头鲸的鱼鳍前缘结节的流动特性,开展前缘结节对改造的Phase Ⅵ仿生风力机叶片性能及流动特性影响的数值研究。结果表明：在设计工况下（V_∞=10 m/s）,结节放置在叶片展向81%位置时,叶片根部的回流区域消除,但结节处的旋涡扰动会破坏叶片稳定流动,使叶片性能相对较低。在高风速下（V_∞=15、20、25 m/s）,由于前缘结节的结构特征,叶片表面产生旋涡,发生阻塞作用,叶片吸力侧压力减小,叶片正背面压差增大,升力增大,进而使仿生叶片的性能得到提升。     

PIV measurements of flows around the wind turbines with a flanged-diffuser shroud

The wind turbines with a flanged-diffuser shroud -so called ＂wind lens turbine＂- are developed as one of high performance wind turbines by Ohya et al. In order to investigate the flow characteristics and flow acceleration, the paper presents the flow velocity measurements of a long-type and a compact-type wind turbines with a flanged-diffuser shroud by particle image velocimetry. In the case of the long type wind turbine, the velocity vec- tors of the inner flow field of the diffuser for turbine blades rotating and no blades rotating are presented at Rey- nolds number, 0.9x105. Fur~thermore the flow fields between with and without rotating are compared. Through the PIV measurement results, one can realize that the turbine blades rotating affects as suppress the disturbance and the flow separation near the inner wall of the diffuser. The time average velocity vectors are made on the av- erage of the instantaneous velocity data. There are two large vortices in downstream region of the diffuser. One vortex behind the flange acts as suck in wind to the diffuser and raise the inlet flow velocity. Another large vortex appears in downstream. It might be act as blockage vortex of main flow. The large blockage vortex is not clear in the instantaneous velocity vectors, however it exists clearly in the time average flow field. The flow field around the wind turbine with a compact-type flanged-diffuser shroud is also investigated. The flow pattern behind the flange of the compact-type turbine is the same as the long-type one. It means that the effect of flow acceleration is caused by the unsteady vortices behind the flange. The comparison with CFD and PIV results of meridional time-average streamlines after the compact-type diffuser is also presented.     

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。     

Testing basic performance of a very small wind turbine designed for multi-purposes

A very small wind turbine system for multi-purposes was developed and its performance was reported in this paper. The rotor diameter of the turbine is 500 mm. The tests of the energy output, turbine speed, power coefficient, and torque of turbine were carried out for a wide rage of free stream velocity. The flow around the wind turbine and the influence of the turbulence were investigated with a particle image velocimetry. Experimentally obtained power coefficient was 0.4 in maximum and 0.36 in the rated running condition, respectively. The tip speed ratio corresponding to the optimum driving condition was 2.7. Comparing with the other commercial turbines, the performance was excellent at a slow turbine speed. By the flow visualization and PIV measurement around the wind turbine, the approaching flow velocity and the accelerated flow field passing the blade tip was obtained. It was confirmed that the actual flow passed through the blades was about 20% slower than the ideal flow. Tip vortex shed from the blade tip was also visualized clearly.