轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响

为了研究风力机间轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响,该文以NREL5MW风力机作为研究对象,基于OpenFOAM开源软件,使用致动线模型和大涡模拟相结合的数值方法。首先对致动线模型中的重要参数高斯分布因子(ε)做了研究,并对数值方法做了可靠性验证;其次对风力机不同叶尖速比下的尾流速度特性进行了分析;最后研究了2种能减小上游风力机尾流效应而使下游风力机输出功率增大的方法。结果表明:在致动线模型中,风轮直径上有50个网格节点,ε取值为1.6倍的网格尺度时,风力机功率的相对误差最小,为1.1%;风力机尾流速度分布与叶尖速比有关,叶尖速比较大时,近尾流区的速度亏损大,尾流场的速度恢复比较快,叶尖速比比较小时,近尾流区的速度亏损小,尾流场的速度恢复比较慢;串列风力机轮毂高度不同或上游风力机存在偏航角时,可以增大下游风力机功率输出从而增大2台风力机的总功率输出。在入流速度为7 m/s,两台风力机间距离为6倍风轮直径的条件下,当上游风力机轮毂高度减去下游风力机轮毂高度的差值为0.25、0.5和0.75倍的风轮直径时,相比于上、下游风力机不存在轮毂高度差,下游风力机功率输出依次增大了1.36、2.50、4.50倍,2台风力机总功率依次增大了20%、56%和66%。当上游风力机偏航角为15°、30°和45°时,相比于上游风力机偏航角为0°,下游风力机功率输出依次增大了1.58、3.36和4.26倍,两台风力机总功率依次增加了18%、30%和22%。此研究结果可为探究提高风场总功率输出的方法提供参考。     

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。     

低风速适用型水平轴风力机气动性能优化与试验

为开发低风资源适用型风力机,以100 W水平轴风力机为研究对象,分析不同设计叶尖速比和设计攻角对风轮变风况气动性能的影响;考虑低风速地区风资源数据统计特点,以提高年发电量和降低启动风速为目标,以设计叶尖速比、设计攻角、叶片弦长和扭角为变量,采用NSGA-II算法进行全局多目标气动寻优;开展风力机性能测试试验。结果表明,优化后年发电量提高了9.14%,风轮启动转矩提高了9.62%;在不同负载条件下,优化叶片功率输出均有明显提高,启动风速由3.84 m/s降低到3.03 m/s;该方法避免设计陷入局部优化,提供一种低启动风速与高功率输出矛盾解决方案,为低风速水平轴风力机设计与应用提供重要参考。     

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响,该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流,并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明,低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征;低空急流最大可使风轮功率增大约40%,风轮俯仰力矩增大50%,风轮偏航力矩增大1.5倍,塔基偏航力矩的波动强度增加60%;同时,还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征;当急流高度低于轮毂高度时,风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜,会增加风力机叶片打塔风险。因此,在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时,应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。     

风电机组尾流与疲劳载荷关系分析

为了研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响,假设了几个重要尾流参数:上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强度等。采用Bladed软件和Matlab幅频程序,分别对1.5与3.0 MW双馈式风电机组进行各参数与载荷响应的关系计算。结果表明:风轮处风速会随着推力系数的增大非线性减小;风电机组处于尾流影响范围内时,在风速和推力系数相同的条件下,通常湍流强度受尾流影响后减小使载荷增大,但当推力系数对载荷的影响起主导作用时,虽然湍流强度受尾流影响后减小但载荷会增大;当风速大于额定风速时,应采用变桨控制减小推力系数,以减小风电机组的疲劳损伤。     

螺旋型垂直轴风力机的气动性能研究及结构参数优化

在H型垂直轴风力机的研究基础上,针对其启动性能较差、风能利用系数低等问题,提出了一种螺旋型垂直轴风轮。首先基于流管模型通过MATLAB编程对其性能开展了粗略分析,然后通过Fluent软件对螺旋型风轮进行了数值模拟,研究了风轮结构参数对其气动性能和启动性能的影响规律,并将优化的螺旋型风轮与同扫掠面积的H型风轮进行了对比。结果表明螺旋型风轮在旋转一周过程中,力矩系数波动幅度不超过40%,且力矩系数均为正值,利于其启动;此外,螺旋型风轮的风能利用系数也较H型风轮高2%~3%,尤其是在叶尖速比较低的情况。该文提出的螺旋型风力机较之H型风力机,在旋转过程中力矩系数变化小,在4 m/s风速即可启动,拓宽了可利用的风能范围,在低风速区域更适用,且整体风能利用系数也能有所提升。     

基于多孔介质模型的土壤风蚀风洞湍流涡发生器设计的数值模拟

该文针对土壤风蚀风洞中设计湍流涡发生器模拟大气边界层的需要,利用计算流体动力学（CFD）软件Fluent对NK-1可移动式风蚀风洞中典型农田风蚀地表风速廓线进行数值模拟,提出引入多孔介质模型的方法将原非规则几何结构的棒栅进行替代计算,最终得到棒栅加粗糙元的最优分布,并通过室内风洞试验进行验证。结果显示,风洞试验实测与模拟所得廓线的相关系数为0.974,模拟效果较理想。该方法使得计算网格数量减少,网格质量提高,节约了模拟成本,提高了计算的精确度和可信度,并且验证了用棒栅-粗糙元组合作为湍流涡发生器来模拟复现大气边界层是可行的,以期为风洞湍流涡发生装置的设计模拟提供一种新的思路和方法。     

考虑颗粒动态尺度影响的泥沙扩散系数模型建立及应用

在欧拉两相流数值算法中,多采用类比水流涡黏性系数的半经验泥沙扩散系数模型来计算固相体积浓度分布。而在将这一模型用于悬移质固液两相流时,因忽略了颗粒动态尺度对流体湍流强度的影响导致计算精度较低。为了体现这一影响,该文针对悬移质固液两相流,基于类比水流涡黏性系数的半经验模型,以颗粒与含能涡相互作用理论判断颗粒动态尺度和固相体积浓度对流体湍流强度的作用,根据流体湍流平衡流动理论和变量间多元回归分析方法,结合现有试验数据,建立了流体湍流强度变化率与颗粒动态尺度、固相体积浓度的关系式,进而得到了新的泥沙扩散系数的计算模型。通过对圆管中悬移质固液两相流的计算表明,相比于现有泥沙扩散系数模型,该文提出的模型能够体现颗粒动态尺度对泥沙扩散系数的影响,在不同含沙工况下计算得到的固相体积浓度分布与试验结果吻合更好,计算值与试验值的最大相对误差在10%以下,远远小于现有泥沙扩散系数计算模型的最大误差。该文新发展的泥沙扩散系数模型得到的悬移质固液两相流流场的计算精度明显提高,可以用于准确预测悬移质固液两相流流场特性。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。     

不同湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的应用与验证

为寻求一种经济、适合的湍流模型模拟轴流泵叶顶泄漏涡的结构和运动特性,该文基于ANSYS CFX软件平台,优化了六面体网格拓扑结构,比较了标准k-ε湍流模型（standard k-ε）、重正化群k-ε湍流模型（renormalization group k-ε,RNG）,标准k-ω湍流模型（standard k-ω）和SST k-ω湍流模型（shear stress transport）等4种湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟中的计算精度和叶顶泄漏涡流场特征。数值模拟和试验结果表明,在最优工况下,SST k-ω湍流模型预测外特性曲线与试验曲线吻合较好,扬程误差为4.688%,较其他3种湍流模型准确;4种湍流模型计算的叶顶泄漏涡流线、叶顶区压力场和轴面速度场分布规律相似,但RNG k-ε和SST k-ω湍流模型计算的涡卷吸较强,涡带的旋涡强度相对较大。基于旋涡强度提出了一种对叶顶泄漏涡的涡心进行识别的方法,并与高速摄影拍摄的涡带结果进行了对比,在设计流量工况和大流量工况下,发现SST k-ω湍流模型计算的叶顶泄漏涡运动轨迹与试验结果吻合度较好,验证了SST k-ω湍流模型在轴流泵叶顶泄漏涡模拟具有较好的适用性。     

湍流强度对风电机组动力学特性及载荷的影响

为研究湍流强度对机组动力学特性及气动载荷的影响,以3.3 MW三叶片水平轴风电机组为研究对象,采用仿真及试验相结合的方法,并对来流风速和主导载荷进行功率谱分析。通过开展4种湍流强度0.10、0.12、0.14和0.16的计算仿真,结果表明随着湍流强度的增加,风电机组机舱振动加速度、载荷及等效疲劳载荷都有规律性变化。为验证仿真结果的合理性,对某风场的型式测试机组进行1a多的数据测试采集和分析。测试结果表明,机组运行在0.06、0.08、0.10和0.12这4种不同湍流强度下,其机组在不同风速运行下的机组振动及载荷同样出现有规律性的变化,仿真与实测结果的变化趋势吻合度较高。该研究为风电场风电机组的微观选址提供依据,也对风电机组设计有一定的指导意义。     

基于LPV增益调度的风电机组控制验证与仿真分析

随着风力发电机组装机容量的持续增加,风力发电机组出力特性及其优化运行成为行业关注的热点。针对湍流风下风电机组的动态响应特性,提出抑制风湍流的LPV增益调度控制方法。基于2 MW风电机组模型进行控制器设计,分别采用PI控制算法与LPV控制算法进行仿真计算。机组载荷的波动主要集中在风轮旋转频率1 P的倍频上。仿真计算结果表明在不同风速下,机组显示出不同的运行特性。在低风速时,塔影效应的作用较为显著,在高风速时,湍流对载荷的影响较为明显。相比于PI控制,LPV控制能够跟随机组运行状态调整控制参数,能更好的抑制湍流对机组的影响。在16 m/s湍流风下,功率和齿轮箱低速轴转矩在3P分量上分别降低了35.1%和41.8%。因此,在LPV控制下,齿轮箱的疲劳损伤降低了,发电机的功率波动减缓了。能够增加风电机组的预期寿命,对电网也更加友好。     

草地近地表风速脉动及其与平均风速、摩阻风速的关系

[目的] 研究草地近地表脉动风速与平均风速、摩阻风速之间的关系，揭示草地风速脉动规律。[方法] 利用三维超声风速仪对天然草地近地表风速进行连续观测。[结果] 草地近地表风速存在明显的脉动特性，脉动强度与平均风速之间呈显著线性正相关。湍流度在较小风速下分布非常分散，随平均风速的增大而趋于集中，在2~14 m/s风速范围内概率分布峰值对应的湍流度为0.23。摩阻风速与瞬时风速之间缺乏相关性；1 s时距下摩阻风速与平均风速呈显著线性正相关，但风速脉动导致摩阻风速计算结果波动仍非常明显；1 min时距下摩阻风速波动范围降低至10%以下，摩阻风速与平均风速线性相关性极为显著。[结论] 风速脉动对摩阻风速的计算有很大影响，采用1 s或1 min时距的平均风速，可有效降低这一影响。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性及试验

为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置的流动规律,该文以浓缩装置为研究对象,进行了流场特性的理论分析、数值计算和试验研究.流体流过浓缩装置,靠壁面流体首先被加速,在中间截面前0.22 m截面超过中心轴流速,之后随轴向距离加大,逐渐形成中间流速大于边缘流速的流场;中央圆筒具有以中心轴为圆心的径向流速梯度,来流风速10.74 m/s时,中间截面径向流速梯度达2.35/s;近壁面形成薄薄的边界层,出现在距中央圆筒壁面50 mm附近,在中间截面前0.11 m截面和中间截面后0.07 m截面出现波峰,波谷出现在中间截面后0.02 m处.试验结果表明,数值计算结果与试验结果相符.研究结果可为完善浓缩装置和叶片的设计提供参考.     

Griffon vulture mortality at wind farms in southern Spain: Distribution of fatalities and active mitigation measures

Wind is increasingly being used as a renewable energy source around the world. Avian mortality is one of the negative impacts of wind energy and a new technique that reduces avian collision rates is necessary. Using the most frequently-killed species, the griffon vulture (Gyps fulvus), we studied its mortality at 13 wind farms in Tarifa, Cadiz, Spain, before (2006–2007) and after (2008–2009) when selective turbine stopping programs were implemented as a mitigation measure. Ten wind farms (total of 244 turbines) were selectively stopped and three wind farms (total of 52 turbines) were not. We found 221 dead griffon vultures during the entire study and the mortality rate was statistically different per turbine and year among wind farms. During 2006–2007, 135 griffon vultures were found dead and the spatial distribution of mortality was not uniformly distributed among turbines, with very few turbines showing the highest mortality rates. The 10 most dangerous turbines were distributed among six different wind farms. Most of the mortalities were concentrated in October and November matching the migratory period. During 2008–2009, we used a selective stopping program to stop turbines when vultures were observed near them and the griffon vulture mortality rate was reduced by 50% with a consequent reduction in total energy production of by the wind farms by only 0.07% per year. Our results indicate that the use of selective stopping techniques at turbines with the highest mortality rates can help to mitigate the impacts of wind farms on birds with a minimal affect on energy production.