风力机双层叶片式翼型气动性能

为了提高风力机的发电效率,优化风机叶片的翼型,以NREL研发的S809翼型为优化对象,设计了双层叶片翼型模型,利用Auto CAD软件建立了双层叶片翼型的几何模型。采取计算流体力学方法(CFD方法),对0~25.21°等26个攻角下双层叶片翼型进行气动计算,对其附近流场的流线图、压力分布云图、压力系数分布进行了分析,并与S809基准翼型进行了比较。结果表明:双层叶片翼型使叶片在不增加翼展的情况下增大升力;相比S809基准翼型,双层叶片翼型将失速攻角增加了6°;最大升力系数在S809翼型1.059的基础上增大到了1.363,研究结果为今后双层叶片翼型的研究打下了基础。     

考虑转捩的风力机翼型动态失速数值模拟

以风力机专用翼型的动态失速为对象,采用一种基于流场当地变量的Gamma-Theta转捩模型配合SSTk-ω湍流模型进行数值模拟,研究转捩对动态失速性能的影响和动态失速下的转捩规律。结果表明,使用考虑转捩效应,能够使动态失速过程中上仰段大迎角状态下失速和下俯段气流再附的模拟得到改善。在动态失速上仰段,上表面转捩由后缘分离泡向前缘分离泡的转变过程较快,导致转捩点迅速前移;而在下俯段,前缘分离泡向后缘分离泡的转变过程中经过了自然转捩和再层流化的过渡,因此转捩点的移动较上仰段平滑。     

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。     

钝后缘翼型及其在风力机叶片中的应用研究

基于某2.0 MW风机叶片,将其在原翼型基础上改进为钝后缘翼型,运用RFOIL工具及ViternaCorrigan失速模型计算得到翼型全攻角范围内的气动数据,然后运用FOCUS等软件计算了应用钝后缘翼型的叶片在气动和结构特性方面的变化。计算显示,适当在叶根区域应用钝后缘翼型,对叶片的气动特性影响不明显,却能显著提升叶片的扭转、挥舞和摆振刚度,提高叶片的结构安全裕度和结构设计的灵活性。     

翼型处于不同程度的动态失速时流场的DMD分析

本研究先对风力机S809翼型处于3种不同程度动态失速下的非定常流场进行CFD(计算流体动力学)数值模拟,得到了翼型在振荡周期内升阻力系数随攻角的变化曲线,然后采用DMD(动力模态分解)方法对非定常流场进行模态分析,从中得到了非定常流场变化过程的主要模态和相应的频率以及能量等信息。通过对前6阶主要模态所包含的流场信息进行对比分析,DMD方法成功捕捉到了复杂流场中不同尺度的流动结构,直观地显示了不同程度动态失速非定常流场之间的差别。     

几何参数对风力机翼型转捩特性的影响

针对3组风力机专用翼型,采用势流方程与边界层方程耦合的方法,对不同相对厚度和相对弯度下的翼型边界层转捩及其气动特性进行了研究,分析比较了转捩点位置随来流攻角的变化、翼型表面的边界层转捩与再附着现象对翼型升力和阻力系数的影响.结果表明:转捩点位置随着来流攻角的增大向前缘移动;随着翼型厚度和弯度的增大,转捩点持续前移,但移动速度与位置不同;翼型表面的流动再附着可以使升力进一步增大.     

颗粒直径对风力机翼型动态失速特性的影响研究

采用CFD方法对风力机翼型在不同直径颗粒下的动态失速特性进行建模与数值模拟。首先,针对二维NACA 0012翼型,采用SST k-ω湍流模型对连续相与离散相耦合进行建模数值;其次,验证SST k-ω湍流模型的准确性,并对离散相模型进行可行性分析;最后,分析颗粒直径对翼型动态失速气动性能和翼型周围流场的影响,同时给出不同直径颗粒的质量浓度分布规律。研究表明：当颗粒直径小于50μm时,颗粒直径越大,升力系数变化越大,翼型前缘附近的涡量也越大,大量颗粒聚集在翼型的吸力面;当颗粒直径为50μm时,翼型运动到振荡周期的任何攻角下,升力系数都在减小,翼型前缘处的流场发生改变,涡量减小,涡强减小,大量颗粒聚集在翼型压力面,分离点后移;当颗粒直径大于50μm时,在大攻角下影响较大,小攻角下影响较小,且升力系数都在减小,翼型前缘附近的涡量随颗粒直径的增加而减小,大量颗粒聚集在翼型整个压力面上。     

零质量射流对风力机翼型动态失速特性的影响

为了改善风力机大厚度翼型的气动性能,采用零质量射流对翼型附近的流动进行流动控制。采用非定常雷诺时均模拟方法(URANS)对动态失速状态下带零质量射流的DU97-W-300翼型的绕流场进行数值模拟,并对比控制前和控制后的翼型气动特性。结果表明,随着射流折合频率的增加,翼型失速攻角逐渐增大,升力系数曲线的波动次数逐渐减小。零质量射流可以有效抑制流动分离,其抑制动态失速的能力随翼型折合频率的增加而增强,随激励器动量系数的增加而增强。     

不同吸气策略对风力机翼型动态失速特性的影响

以NACA0012翼型为研究对象,采用Transition SST湍流模型和Simple算法模拟了高雷诺数下吸气控制对翼型失速特性的影响.设计了 4种吸气策略,详细探讨了不同吸气策略对翼型动态失速的影响,并对比其所需能耗.结果表明:在相同动量系数下吸气控制对动态失速涡的抑制明显优于喷气控制;与喷气控制相比,采用吸气控制后翼型的平均升力系数可提高13％以上,平均阻力系数可降低80％;当采用开口向下的Sin函数策略时,翼型的等效升阻比最大.     

对一种动态失速模型的改进及精度研究

基于现有的Hopf分岔法动态失速模型（Hopf bifurcation model）,引入Wagner函数计算其附着流下等效攻角,对原模型的边界层再附着项进行一定修改,使新模型可表示为状态空间的形式,并为原模型补齐了对于阻力和力矩系数的建模。相比于常见的ONERA和Leishman-Beddoes动态失速模型,新模型在附着流下拥有与解析理论最一致的幅值及相位特性;分离流下,新模型在大部分情况下的计算精度优于常见模型,且能更好地捕捉初级失速涡和深度失速下出现的多级失速涡现象。其中对轻度失速的分析表明,各动态失速模型在轻度失速下的环量项建模仍具有一定的提升空间。     

基于时域积分的水平轴风力机风轮噪声预测理论及应用

给出了考虑水平轴风力机风轮厚度噪声与负荷噪声的延迟时形式的时域积分解及其噪声预测理论。基于Ffowcs Willians-Hawkings声学方程，减少了偏导数项的求解，提高了计算速度，避免了声学计算中的奇异性问题。对小型水平轴风力机FD2-300在3个方向的辐射噪声进行了预测，得到了声场各种源成分的噪声的分布与指向性规律。计算结果表明：在风轮的旋转平面，具有最大的总噪声级的指向性，负荷噪声在旋转平面以及风力机下游起着主导作用。对于600kW大型水平轴风力机进行了局部区域的噪声现场测量，并且与预测值进行了对比。结果表明：模型的预测结果与测试数据比较符合，且变化趋势一致，在整个测量区域，预测值比测量值低，这是由于计算模型只考虑到风力机叶片的负荷噪声与厚度噪声，对于实际运行的风力机来说，其辐射的总噪声除了与叶片的负荷、厚度有关，还与非定常来流、叶片本身的非定常性和气流粘性有关。若以该文建立的模型进一步考虑风力机的非定常性和粘性效应，将提高其预测准确性，在风力机整体优化设计以及噪声控制方面提供理论指导。     

基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性模型及应用

该文对影响水平轴风力机气动弹性稳定性的物理机理进行了分析，对国内外的研究方法进行了阐述。建立了基于压力表示法的水平轴风力机风轮气动弹性稳定性敏感性分析方法的物理与数学模型，综合考虑了风力机风轮的气动与结构参数对气动弹性稳定的影响。以600kw水平轴风力机风轮为例，对其气动弹性稳定性进行了分析与研究，获得了该风力机的气动弹性稳定性裕度和工作范围。考虑到风力机三维流动、风轮与塔架的藕合以及来流湍流和阵风等来流工况的复杂性，该分析模型目前还没有将上述因素考虑在内。若均考虑在内，则其能够提供较高的气动弹性稳定性预测精度。     

基于最优邻域的动态加权混沌风速预测模型

提出了短期风速的混沌预测方法。首先利用关联积分法确定滞时和嵌入维数,重构风速时间序列的相空间。在此基础上,采用基于最优邻域的动态加权混沌预测模型进行风速预测。该模型综合考虑了邻近点权重和广义自由度,能够给出确定最优邻域的判定指标。实际计算中对2个测风点的数据进行了预测分析,结果表明,在合适的模型参数条件下,该方法可取得较好的预测效果,邻近点权重的引入确实提高了模型的预测精度。     

水平轴风力机气动性能计算模型

基于片条理论建立了水平轴风力机气动性能计算模型,考虑叶尖损失、轮毂损失、叶栅理论及失速状态下动量理论的失效对片条理论进行了修正,并且考虑了风剪切、偏航、风轮的结构参数和风力机安装参数对计算模型的影响,使得理论模型更接近于实际工况中的风力机。应用所设计的气动性能计算程序对一台1．3MW的失速调节风力机进行了气动性能计算,与国外大型商业软件的计算结果取得了良好的一致性,从而验证了模型的正确性和实用性。     

基于BEDDOES-LEISHMAN动态失速模型的水平轴风力机动态气动载荷计算方法

从对附着流和分离流的建模两方面阐述了Beddoes-Leishman动态失速模型.基于Beddoes-Leishman模型开发了动态失速数值计算程序,并将其集成到了现有的风力机气动载荷分析软件中.利用所开发的程序,计算了NACA 63-418翼型的动态失速特性,分析了平均攻角、衰减频率和马赫数的变化对动态失速特性的影响.仿真了一台1.5MW变速恒频风电机组的发电工况,结果表明,动态失速对风力机的动态气动载荷有极大影响,在进行动态载荷仿真时必须予以充分考虑.     

基于卷积和共享权系数长短时记忆网络时融合机制在风速预测上的应用研究

针对对于风能规划和应用都具有重大影响的风速存在强随机性问题,该文提出结合卷积神经网络（CNN）和共享权重长短期记忆网络（SWLSTM）的空时融合模型（CSWLSTM）,充分提取风速序列中蕴含的空域和时域信息,以提升预测精度。此外,为了获得可靠的风速概率预测结果,提出一种新的结合CNN、SWLSTM和高斯过程回归（GPR）的混合模型,称为 CSWLSTM-GPR。将CSWLSTM-GPR应用于中国内蒙古风速预测案例,从点预测精度、区间预测适用性和概率预测综合性能3个方面与相同结构的CNN和SWLSTM模型的风速预测方法进行比较。CSWLSTM-GPR的可靠性测试保证了预测结果的可靠性和说服力。实验结果表明,CSWLSTM-GPR在风速预测问题上能获得高精度的点预测、合适的预测区间和可靠的概率预测结果,也充分展现了该研究所提出CSWLSTM在风速预测方面具有较好的应用潜力。     

具有失速调节的变转速风力机的动态分析与控制策略

失速调节变车风力机是非线性而且在额定风速以上不稳定的系统,风力机的跟踪控制又是分段实现的,研究其动态特性和控制策略对风力机的稳定性和可靠性尤其重要,从风力机的动力关系出发,分析了风力机在额定风速上下的运行特性,确定了相应的跟踪控制方案,并对试验风力机进行控制设计,给出了不同方案的计算机仿真结果及比较分析。     

基于动态入流理论的水平轴风力机动态气动载荷计算模型

针对叶素一动量理论的不足,考虑风力机运行环境动态变化时诱导速度场的滞后效应,利用加速势流方法,导出了附加质量的表达式,并以此建立新的风轮轴向受力表达式,与叶素一动量理论结合,得到了考虑动态入流效应的动态气动载荷分析模型.利用分析模型对一台1.25MW风力机在风速快速变化和快速变桨距时的载荷进行了仿真,结果表明,模型能够较好地反映诱导速度场的渐变过程、载荷的快速过冲现象以及之后逐渐回归稳态值的过程.