于CFD的大型风力发电机组叶片气动性能研究

为了研究大型风力发电机组叶片的气动性能,提出了基于CFD技术的叶片气动性能分析方法。该方法采用RANS方程结合SST湍流模型,以实现对大型风机叶片二维翼型气动性能和三维气动性能的分析预报。在此基础上,采用二维方法分析了NACA64-618翼型－180°～180°攻角下的气动性能,获得了其失速攻角,与试验数据的比较证明了该方法的准确性;进而建立了2MW大型风机三维叶轮模型,采用三维方法分析了其有关气动性能,与GHBladed软件计算结果比较证明了三维方法的可行性。最后,对2MW风机翼型进行了优化,改善了其气动性能。研究方法对于大型风机叶片的设计,优化及新翼型的开发具有重要参考价值。     

风力机翼型边界层分离流动三维特性的数值模拟

针对NRELS809翼型绕流流动分别建立了二维和三维可压缩湍流模型,并进行了相应的数值模拟计算。湍流黏度分别采用基于RANS的Spalart-Allmaras和k-ωSST两种湍流模型来处理。研究结果表明:基于RANS的三维Spalart-Allmaras湍流模型在大攻角下得到了更加细致的涡结构,且更能显示出边界层分离流动的三维特性,计算出的翼型气动性能与实验测试值更接近,因此,Spalart-Allmaras湍流模型比k-ωSST湍流模型在预测翼型失速后气动性能方面更加有效。数值计算结果同时揭示了分离流动的三维特性是影响翼型气动性能的重要因素,而二维模型并不适用于翼型气动性能的计算。     

风力机翼型及叶片气动性能数值模拟

采用FLUENT数值计算方法模拟了NACA4412、NACA4418、FX60-126和NREL-S809四种常用风力机翼型和单位长度平板叶片以及单位长度实际叶片.通过数值计算所得4种翼型的升阻力系数曲线与实验数据的对比,验证了计算模型和计算方法的准确性,在此基础上分析了翼型和平板叶片随攻角变化的流场分布规律以及实际叶片的三维气动特性,数值模拟结果显示三维平板叶片在失速攻角附近气流展向流动较明显,三维实际叶片旋转时气流展向流动产生了三维涡体,更准确地反映了实际叶片的气动特性.     

通用风力机翼型气动特性数值模拟

针对某翼型扰流流动,建立了二维可压缩湍流模型,利用商业软件FLUENT对翼型不同来流攻角下的气动特性进行了相应的数值模拟计算.湍流黏度采用基于RANS的Spalart-A llm aras湍流模型处理,得出了雷诺数在3.2×106时,某翼型的升力系数、阻力系数和压力分布随来流攻角的变化关系,并与同类翼型实验数据进行对比.结果显示:该翼型与修型前的翼型相比,具有较高的升力系数和升阻比,失速性能更好.     

涡流发生器对不同弦长风力机翼型气动性能的影响

加装涡流发生器有助于大型风力机叶片根部厚翼型表面边界层气流分离的控制。以DU97-W2-300三维翼型为研究对象, 采用转捩模型对安装相同尺寸的涡流发生器, 弦长分别为0.6、1和1.5 m的翼型进行数值计算, 分析涡流发生器控制流动分离的机制。结果表明:转捩模型计算结果与试验结果吻合良好; 对于3种不同弦长的翼型, 在攻角0°~14°范围内, 计算得到的升力系数基本相同; 当攻角大于14°后, 随翼型弦长增大, 升力系数减小, 翼型尾缘分离区域逐步增大。     

大型变截面翼型叶片与气动性能优化分析

基于叶素．动量理论,以输出功率系数为优化目标、叶片的弦长、扭角和相对厚度为设计变量,建立叶片优化设计的数学模型。综合考虑轮毂和叶尖气动损失,对各变截面翼型的弦长和扭角进行了计算和修正。利用Matlab优化工具箱,对大型变截面翼型叶片进行优化的气动性能理论计算。以1．5Mw风力机叶片为例,比较了变截面翼型叶片和单一翼型叶片气动性能的计算结果,变截面翼型叶片的气动性能优于单一叶片的气动性能,为风力机叶片外形设计提供参考。     

风力机叶片二元翼段静气动弹性机理

针对风力机叶片翼型静气动弹性的发散速度、载荷重新分布等问题,在线弹性范围内,基于气动弹性力学理论,推导出适用于风力机叶片二元翼段静气动弹性的基本方程.以攻角为输入量,压力为输出量,翼型的弹性扭角为系统的反馈量,建立了风力机叶片弹性翼型的气动弹性反馈模型.在危险风速工况下,对3种典型翼型的风力机叶片二元翼段进行了计算分析,得到了扭转刚度、刚心与气动中心距离对风力机叶片二元翼段的发散速度、附加扭角和升力分布的影响.研究了不同翼型对风力机叶片二元翼段附加扭角和升力分布的影响,结果表明,当扭转刚度较小时,附加扭角的增加在一定程度上提高了翼型的气动性能;当扭转刚度较大时,附加扭角增加较小,对翼型的气动性能影响较小.     

风力机专用翼型气动结构一体化设计

基于保角变换理论,提出了风力机专用翼型气动结构一体化设计方法。该方法结合西奥道生理论和B样条曲线对风力机翼型进行参数化表达;以翼型气动和结构性能最优为目标,建立了翼型优化数学模型;运用RFOIL软件求解气动特性、利用Matlab求解翼型结构特性,结合改进的遗传算法对翼型进行优化设计。优化得到相对厚度为21%的新翼型CQUL210,并将该翼型与国际知名的风力机翼型DU93-W-210进行了对比分析,结果表明:在设计攻角范围内,新翼型在自由转捩和固定转捩条件下气动性能都更加优越。有限元分析结果表明,新设计的CQUL210翼型的结构性能优于DU93-W-210翼型。本文方法对提高叶片捕风能力和减轻叶片质量具有重大意义。     

采用粒子群算法的水平轴潮流能水轮机翼型多目标优化

为了提高水平轴潮流能水轮机叶片翼型空化性能,提出一种基于粒子群算法（PSO）的翼型性能多目标优化方法,主要针对较大攻角下翼型表面压力系数最小值;同时为保证翼型水动力性能,以翼型压力系数最小值及升力系数等建立多目标优化函数.通过程序调用XFoil对优化翼型水动力性能进行过程分析,替代计算流体动力学（CFD）分析,节省优化时间.采用此方法对NACA63-815翼型进行优化并采用CFD方法重点研究2个攻角工况下优化翼型与原翼型在3个空化数（1.0、1.5和2.0）下的空泡分布对比.结果表明,优化翼型在6.8°和10.8°攻角下压力系数最小值分别提升了17.0%和45.8%,最大升阻比提高了6.0%和61.1%.翼型的空化初生及全空化性能均得到明显提升,水动力性能也得到了提升,验证了此优化方法的可行性.     

涡激振动小圆柱对翼型气动力影响的数值研究

在大攻角来流时,翼型吸力面气流常产生流动分离现象,使翼型气动性能恶化。针对大攻角情况下的流动分离现象,本文在翼型前缘加入控制柱,通过数值仿真探究发生涡激振动的小圆柱对于翼型气动力的影响。基于计算流体力学、结构动力学和嵌套网格技术,本文建立了二维流固耦合模型。以NACA0012翼型为例,对翼型前缘设置涡激振动圆柱的流场情况进行模拟,并且对比了静止圆柱与振动圆柱情况下的流场变化。通过流线图和涡量云图分析了小圆柱流动控制的机理。仿真结果表明：设置静止小圆柱可以提高大攻角下的翼型升阻比,使小圆柱产生涡激振动之后,能够进一步有效地提高大攻角下的翼型升阻比50%以上。涡激振动小圆柱的引入在大攻角条件下对提升翼型升阻比具有显著效果,为改善翼型气动性能提供了一种有效的流动控制手段。     

威布尔分布风速下基于遗传算法的风力机叶片优化设计

考虑了风速的威布尔(Weibull)分布,以年发电量最大为目标函数,运用遗传算法对某1.5 MW风力发电机叶片的气动性能进行了优化设计:将叶片沿展向分为13段,以每段的功率作为遗传算法的适应度函数.优化所得的气动外形参数体现了比Wilson方法和额定风速下的遗传算法更为合理的结果,弦长和扭角更趋于流线型分布,且扭角整体呈减小的趋势.     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示：风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

基于脉冲激励响应的风力机叶片结构阻尼计算

针对大型风力机叶片气弹振动问题,提出一种基于脉冲响应的大型风力机柔性叶片结构阻尼有效分析方法.采用一种5自由度的超级单元,将柔性叶片离散成由若干超级单元构成的多体系统,基于计算多体系统动力学中的R-W方法建立了叶片的动力响应模型.以美国可再生能源实验室(NREL)发布的5 MW近海风力机叶片为研究对象,通过分析叶片在脉冲激励下的动力学响应得到其传递函数,由半功率带宽法计算叶片在静止和运转工况下的挥舞与摆振结构阻尼,从而为确定叶片气弹稳定性的边界提供依据.该研究对于指导叶片结构与气动外形设计、帮助确定其气弹稳定性边界具有重要意义.     

风机叶片设计二次开发与气动性能仿真

为了提高叶片设计的精度和效率,根据风机叶片设计的相关理论和方法,对叶片气动外形设计进行研究.以20 kW风机叶片为例,在Wilson法的基础上,利用VB、VC++等编程语言在SolidWorks平台上开发叶片气动外形设计及建模的应用系统.根据输入的设计参数自动生成叶片的三维实体模型,省去了以往设计过程中生成的大量数据的转换和存储,实现叶片的高效,智能化设计.为了对设计结果进行评估,同时验证设计的有效性,针对设计好的叶片模型进行流场仿真分析.结果表明,提出的叶片设计与建模方法能够有效提高风能利用率,缩短风机叶片设计周期,可用于企业对叶片的设计研发,并为叶片结构有限元分析和优化设计平台奠定基础.     

基于升力线理论的风力机气动性能分析方法

为了提高风力机气动载荷的三维计算能力与计算稳定性,采用螺旋尾涡升力线模型来研究叶片气动性能参数.通过对附着涡分布、控制点的诱导速度以及迭代法求解算法等问题进行研究和分析,计算了风力机的各项气动性能参数,并建立了基于螺旋尾涡升力线模型的水平轴风力机风轮气动性能数值分析算法.在FORTRAN平台中创建了分析程序,计算了风力机的气动载荷并与传统叶素动量理论进行了对比.结果表明,所开发的数值计算模型具有较高的计算能力与计算稳定性.     

风力机设计软件WTD1．0气动设计性能分析

为了研究分析风力发电机设计软件WTD1．0（一套基于考虑了流动三维气动效应数学模型的设计软件）的性能,选取一实际的风力机为计算模型。对WTD在叶轮功率计算、叶片的安装角分布、风轮的转速、叶片翼型弦长分布、叶片扭转角分布设计等方面的功能进行了计算分析,并对WTD在叶轮的启动力矩、多叶片（叶片数超过6片）叶轮的气动计算和设计的功能等进行了分析研究。通过计算分析,发现设计软件WTD1．0在叶轮功率计算、叶轮结构尺寸设计、叶轮启动力矩计算及多叶片叶轮计算设计方面均有较好的表现,并能正确地反映风力机叶轮的气动理论,在一定程度上提高了风力发电机的气动设计水平。     

叶片刚度对风力发电机组载荷的影响

为了研究受叶片刚度变化影响的载荷灵敏度问题,提出利用柔性多体动力方程对全耦合风机进行建模的方法,并考虑叶片旋转时产生的空气动力、重力及离心力作用对叶片进行模态分析,求解叶片的气动阻尼.运用Newmark法对风力发电机组叶片进行动态分析计算,得到总的动态响应载荷.以某3 MW风力发电机组为例,计算叶片在不同刚度下的载荷敏感度,仿真其在额定风速下的正常发电情况,获得其叶根、塔底、偏航轴承以及轮毂的载荷.仿真结果表明,叶片刚度降低导致叶根载荷减小,但是塔底、偏航轴承载荷增加;叶根XY、塔底Z、偏航轴承Y及轮毂Z方向载荷变化较为敏感.