山区湍流特征及其对风力机功率的影响

为研究山地地形大气湍流关键特征参数的变化规律及其对风力机功率的影响,以云南某山地风电场山脊处一大型风力发电机组为研究对象,采用遥感技术研究风力机来流的风速、风向、湍流强度、湍动能和湍流耗散率的分布特征,并分析上述参数对机组功率的影响。结果表明：山地地形中来流参数昼夜特征明显;在垂直于来流方向,地形的影响区域集中在距离地面79 m的范围内,湍动能与湍流耗散率在垂直方向成反比;风速与湍流耗散率具有良好的正相关性;来流特征参数在不同风速区间对风力机功率的影响存在较大差异,湍动能对风力机功率的影响程度最低,为1.49%,但湍流强度对风力机功率的影响程度高达4%。     

风剪切对水平轴风力机气动性能影响的研究

采用SSTk-ω模型,分别对均匀风和剪切风下1.2 MW水平轴风力机在11.26m/s来流风速下的绕流流场进行三维数值模拟。根据模拟结果分析均匀来流和动态风剪切来流对风力机输出功率的影响以及风剪切对风力机三维流场的气动性能影响。研究结果表明:均匀风下,风力机功率计算值与设计值吻合较好;风力机受到风剪切的影响时,能导致叶片表面的载荷和性能发生变化。     

湍流风对铰接式海上风力机动力响应的影响

为适应中等水深风电开发的需要,进一步降低成本,在铰接塔平台的设计基础上,设计了一种铰接式海上风力机,研究了其在工作海况和极限海况下湍流风对风力机动力响应的影响.采用叶素动量理论计算气动载荷,势流理论计算波浪载荷,考虑风浪流的联合作用,以及瞬时湿表面变化及铰接接头的摩擦阻尼,编写了风浪流时域耦合动力响应分析程序.使用NPD谱模拟湍流风,从而计算得到了定常风和湍流风作用下铰接式海上风力机的动力响应,分析了湍流风对于风力机运动响应和发电效率的影响. 结果表明,湍流风作用下,风轮加速度和铰接点的垂向拉力变化较小,摆角、风轮推力、发电功率和铰接点水平推力的均值分别减小,但摆角和发电功率的响应变化幅度增加.另外,湍流风本身的低频特性会增大系统的低频响应,使系统产生共振.极限海况下,铰接式基础最大摆角显著增大,但依然满足生存需求.因此,湍流风对铰接式风力机的动力响应影响较大,铰接式海上风力机运动和强度分析时不可忽略湍流风的影响.     

升力型风力机与升阻型风力机气动性能分析

为深入研究升阻型风力机与升力型风力机的气动性能,基于CFD软件,采用k—wSST湍流模型,利用双滑移网格技术对2者的启动风速和切入风速进行流场计算,研究在低风速下2种风力机的气动性能。结果显示：升阻型风力机具有较大的启动力矩、较小的切人风速以及较小的启动风速;升阻型风力机在低风速下比升力型风力机更容易启动,且在失速之前升阻型风力机的输出功率较大,但在失速之后升阻型风力机输出功率低于升力型风力机。     

不同来流条件及沙波形态对沙波湍流场的影响

目前,对沙波问题的研究主要侧重于对沙波形成机理的研究,对于沙波形态、水流条件与沙波湍流场之间的关系,相关的研究成果相对较少。通过建立概化后的沙波模型研究其湍流场的分布结构,分析了来流雷诺数与沙波形态对湍流场的影响。研究表明:回流区的形态、大小和再附着点的位置受雷诺数的影响较大,高雷诺数下的沙波湍流与后台阶流动有一定的相似性;在充分发展的湍流当中,回流区的长度比会随着沙波波陡的增大而减小,但同等条件下,迎、背流面水平距离比值大小不影响回流区长度,仅影响回流区在垂向上的形态以及回流强度。     

微通道内湍流流动与换热模型的建立

根据湍流模型的理论基础及适用范围,分析在微尺度条件下,加入湍流黏性耗散的作用。利用连续性方程、动量方程和能量方程,建立雷诺时均化湍流流动模型;依据Prandtl混合长度理论,建立脉动项与时均项的微分方程;确定对流换热Nu数与比热、流体温度、摩擦系数之间的关系,推导其计算公式。     

水平管内汽液两相流流型及换热特性数值模拟

为研究水平管内相变汽液两相流动流型变化,使用VOF模型和RSM湍流模型对其进行了数值模拟,分析了水平管内对流换热、压降及流型的变化．模拟结果表明:VOF模型和RSM湍流模型可用于模拟两相流流型中的泡状流、分层流、波状流、弹状流以及环状流;模拟结果与Mandhane流型图基本吻合;对流换热系数及压降与已有关联式吻合较好．     

利用PIV技术研究湍流积分尺度

近几十年来,随着激光诊断技术的飞速发展,使得对湍流燃烧中湍流特性的直接测量成为可能.对湍流流场积分尺度的精确测量可以获得对流场湍流特性的准确认识,这不仅是湍流自身研究的重要组成,同时对湍流燃烧研究具有重要的指导意义,对深刻理解湍流与燃烧两者之间相互耦合作用具有     

摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性

矩形窄通道广泛应用于紧凑式换热器中,其内单相流动流态转捩特性会受到摇摆运动的影响.结合流迹显示技术,对摇摆条件下矩形窄通道内单相水从层流向湍流转变临界点附近的流动特性进行了实验研究.结果表明稳态条件下临界Re为2 550左右.摇摆条件下当Re小于2 400时,流态显示为稳定的层流,Re大于3 500时,流态为湍流,摇摆对稳定的层流区和湍流区流态没有影响;Re为2400～3 500之间时流动处于过渡区,摇摆对其流态转变有一定影响.在临界点附近摇摆振幅越大,流态转捩越容易发生;摇摆周期对流态转捩影响很小.摇摆运动改变系统重位压降及产生附加压降,从而对流态转捩的影响不可忽视.     

基于BEM理论的兆瓦级风力机叶片设计及其气动性能

根据风力机设计标准,在考虑叶尖损失和升阻力等影响因素的条件下,采用BEM理论设计了2 MW桨距控制型风力机叶片。为验证所开发风力机叶片的气动性能,对风力机模型进行全三维CFD数值模拟。模拟结果表明,该叶片静压强、绕流特性、湍流强度等符合叶片气动特性规律,满足设计要求。叶片展向的升阻系数与二维升阻系数对比结果表明,全三维的数值模拟能更准确地反映叶片绕流的气动特性。     

动态入流条件下风力机运行控制的数值模拟

在动态入流条件下,采用基于致动线模型的大涡模拟方法对一台1.5 MW的商用风力发电机组的转速、转矩以及输出功率的响应特性进行数值模拟.在对数风廓线模型的基础上,通过引入正弦波动获得动态入流边界条件.对风力机引入比例积分变桨距控制和转矩控制,实现对动态入流的追踪.研究结果表明,在当前的变桨距控制和转矩控制条件下,风力机的转速、转矩、输出功率能够很好地响应入流风速的变化.在风加速阶段,三者都在额定风速时达到额定值;当入流风速减到额定风速后,变桨距控制以及转速、转矩、功率的下降都存在10 s的延迟;模拟得到的功率曲线与风力机实际功率曲线整体上吻合良好,不过在风速小于9 m/s的区间段还存在着一定的偏差,有待于进一步优化.     

风电机组无传感器功率追踪控制策略

针对传统最佳叶尖速比风能追踪方法需要准确测量风速的问题,从风电机组输出电功率的角度出发,提出了一种基于风速预估的改进叶尖速比风能追踪控制策略.根据风电机组的转速和输出电功率求解验证预估风速,进而实现无传感器叶尖速比风能追踪.仿真结果表明,所提出的改进叶尖速比控制策略在无风速传感器的情况下仍具有良好的追踪精度,同时具有较好的实时性和鲁棒性,能降低测量风速对叶尖速比控制性能的影响,证明了所提出控制策略的有效性.     

风轮机的风能转换及空气动力学分析

基于流管概念,分析不考虑风轮机叶片旋转等因素时理想情况下风轮机的功率输出及最大风能利用系数．从角动量守恒的角度出发,分析考虑风轮机叶片旋转及由此产生的旋转尾波情况下水平轴风轮机的功率输出．借助于飞机机翼升力概念及叶片元理论,分析水平轴风轮机叶片元的空气动力,指出了风轮机叶片空气动力分析与飞机机翼空气动力分析的差异。     

综合考虑风剪切塔影效应的脉动风速模型

风速是影响风机输出功率的重要因素。运用谐波叠加法在Matlab软件中进行仿真建模和分析,建立脉动风作用下的模型,并使用Von Karman目标功率谱对模拟风速谱进行校核,以保证风速时程曲线的准确性。通过分析风机风轮和塔架等特点,阐述了风速和方位角的关系。综合考虑脉动风、风剪切和塔影效应对轮毂风速、平均风速的影响,通过分析风轮扫掠面上各点的风速动态模型,得到模型时空分布特性。结果表明,该模型既考虑自然风的突变性和不确定性,又考虑了风机自身结构特性引起的风速周期性波动,能够理想的反映实际风速,对于模拟风机运行状况具有直接意义。     

不同入流条件及偏航角下的单风机尾流特性

随着大型风电基地建设,上游风机在运行时会使下游风场风速下降,湍流度增大,造成下游风机发电功率降低,加剧风机的疲劳破坏并缩短其服役周期。因此,亟需开展风机尾流研究,明确其特性及演化规律。为了揭示不同入流及偏航角下的单风机尾流特性,基于单风机尾流风洞试验,验证基于大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)结合致动线模型(Actuator Line Model, ALM)数值模拟方法的准确性;基于LES-ALM模拟方法研究入流风场（包括风速及湍流度）及偏航角对风机尾流特性的影响,阐明正负偏航角下单风机尾流的对称性。结果表明：随着背景湍流度的增大,风机尾流恢复速度加快;当入流条件相同时,风机设置正负对称偏航角,其尾流风速也表现出一定的对称性;风机偏航角越大,风机尾流膨胀宽度会逐渐减小,并降低尾流风速的亏损程度。     

新型双风轮单转子风力发电装置特性测试

为了以更适用、更廉价的方式来提高风力发电装置的发电效率,在分析前后风轮发电功率的基础上,提出一种带齿轮结构的双风轮单转子风力发电装置,以实现风能的两级利用.车载实验结果表明:该种双风轮风力发电装置的发电功率、发电效率以及年发电量较同规格的单风轮发电装置均明显提高,其中该装置中的前轮三叶片后轮三叶片、前轮三叶片后轮四叶片及前轮三叶片后轮五叶片结构的发电效率相对于单风轮分别增加了40%、50%及38%,而年发电量则分别增加了38.06%、76.49%及73.06%,因而该装置更能高效率地利用风能.     

基于NASA观测数据的风电出力时空分布及波动特性分析

为克服实际风电场运行数据难以获取的问题,提出一种基于历史风速的风资源评估方法。首先,基于美国NASA(National aeronautics and space administration)数据中心获取风速数据,并利用假想风电机组模型转化为风机出力时间序列;然后,通过对时间序列的统计分析,计算期望、半载概率等指标评估风电出力的时空分布特性;最后,通过计算风电出力方差和分析相邻峰谷点差值概率分布规律分析风电出力的波动特性。所提方法能够同时考虑风资源自然特性和风电机组特性,且能对风电波动特性提供定量描述。利用所提方法对山东省风资源的评估结果表明:山东省可利用风能资源随地区、季节和昼夜的变化呈现出明显规律。     

基于模式搜索的风能最大功率跟踪控制

针对传统风能最大功率跟踪控制方法难以实现实际输出功率最大化或无法兼顾跟踪速度和精度等问题,提出了一种新的跟踪控制方法。依据当前风速以及风力机特性曲线,采用叶尖速比控制实现风能捕获最大化,利用模式搜索法搜索并获得系统最大输出功率点,通过设计模糊PID控制器实现系统对给定参考转速的快速跟踪。该方法将模式搜索法与叶尖速比控制法有机结合,既具有叶尖速比控制原理简单、容易实现的特点,又具有模式搜索法收敛快、精度高等优点。仿真和试验结果表明,该方法可实现输出功率的最大化,有效提高了系统的风能利用率。以风速为6.7m·s-1时为例,系统输出功率相比于单纯采用叶尖速比控制时提高了约4.8％。