偏航角对风力机气动性能的影响

偏航工况水平轴风力机存在典型的动态特性,为了提高动态载荷特性的预测精度,该文采用计算流体力学方法(computational fluid dynamics,CFD)研究了MEXICO(model experiments in controlled conditions)风轮在偏航角0、15°、30°、45°工况下的整机气动性能。数值模拟得到的叶片截面压力系数分布、载荷系数随方位角变化规律以及轴向入流时速度分布与试验测量值均吻合较好。当偏航角在30°以内时,采用CFD方法计算的轴向载荷系数的相对误差在±5%以内,切向载荷系数的相对误差在±15%以内;当偏航角达到45°时,轴向载荷系数的相对误差超过±15%,切向载荷系数的相对误差接近±30%,同时偏航运行时速度分布与试验测量相差较大。偏航运行时叶根处的翼型升阻力迟滞特性较叶尖处显著,但叶根处攻角变化范围小于叶尖处。采用动量叶素法进行风力机性能预测时必需充分考虑该特性。该研究为工程预测模型的建立和偏航工况风力机设计运行提供了参考。     

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。     

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。     

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1.4 m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。     

小波检测湍流相干结构方法的改进与其应用

相干结构(coherent structure,记为CS)在湍流物质、能量的输送中占有重要地位。鉴于目前以小波变换检测CS的方法存在的问题,本文基于温度在不稳定与稳定条件下分别呈现出缓升陡降与缓降陡升的斜坡模态特征与完整的理想CS波形,对之进行了改进。该改进方法可以提取具有变动时间尺度的单个CS与连发CS的信号。由此改进方法,利用中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地的湍流观测资料,经过质量控制与滤除线性重力波,分析了马铃薯下垫面上CS的特征。主要结论如下:(1)白天(夜间)CS的典型特征是空气辐合上升,温度升高(降低),水汽密度增大;紧接着,空气辐散下沉,温度降低(升高),水汽密度减小。(2) CS以每30 min出现15个、持续时间18.2 s、长度尺度≤15 m、间隔18 s、间歇因子55%(稳定)与85%(不稳定)、且两个并发的特征最为典型;(3)上扬支与下扫支的持续时间呈现极为显著的、斜率小于1的线性关系,CS并不对称;(4) Taylor长度尺度与稳定度和摩擦速度呈极为显著的线性关系,动力因素倾向于产生大而少的CS,热力因素则产生更多的小的CS;(5)内外半径比揭示,CS在不稳定条件下比稳定条件下相对集中,标量相对集中在CS的中部,矢量相对分散。     

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。     

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。     

不同施肥措施对黄芩根际微生物群落结构的影响

探究不同施肥措施对黄芩根际细菌群落结构和种间互作关系的影响,为黄芩的合理施肥和提高土壤微生物多样性提供理论依据。采用高通量测序技术对不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、化肥配施生物有机肥(NPKM)3个处理的野外黄芩根际土壤样本细菌多样性、群落结构和网络关系进行测定和分析。结果表明,与CK和NPK处理相比,NPKM处理显著增加了细菌多样性,增幅分别为11.51% 和7.37%。与CK相比,NPK和NPKM处理均显著改变了细菌群落结构。不同处理中,变形菌门是丰度最高的门,其相对丰度均高于28%,此外,CK的优势菌群为寡营养型的酸杆菌门,NPK处理的优势菌群为富营养型的变形菌门和拟杆菌门,NPKM处理的优势菌群为能降解复杂有机物的放线菌门和绿弯菌门。网络分析的结果表明,黄芩根际土壤细菌各物种间的正相关性达64.32%,表明物种间主要呈现出互相合作的关系,与NPK处理相比,CK和NPKM处理的网络节点数分别增加了4.76% 和5.95%,而边数则分别增加了12.13% 和10.54%,说明仅施化肥不利于增强土壤微生物群落之间的联系和系统稳定性。综上所述,施用化肥,特别是化肥配施生物有机肥可以通过增强土壤细菌种间互作联系,优化群落组成,为黄芩生长提供更适宜的环境。     

甘薯连作对根际土壤微生物群落结构的影响

为探究甘薯连作后根际土壤微生物群落结构变化,以徐薯18(耐连作品种)和遗字138(不耐连作品种)为试验材料,连作2年,于栽植初期和收获前期分别采集根际土壤,利用磷脂脂肪酸法(PLFA)分析其根际土壤微生物群落结构变化。结果表明,连作后,2个品种根际土壤的总PLFA含量均有所提高,与2015年相比,2016年栽植初期遗字138根际土壤真菌和放线菌PLFA的增加量分别是徐薯18的3.5倍和1.24倍,且均达到显著水平;F/B和G⁺/G^-在不同采样时期有所不同;主成分分析提取的2个主成分解释了89.05%的变异,其中PC1解释了76.91%的变异,PC2解释了12.14%的变异。2个品种连作前后差异明显。休闲期甘薯根际土壤微生物含量增多,这可能有助于缓解连作障碍。综上,甘薯连作导致甘薯根际土壤微生物群落结构失衡,特别是不耐连作品种连作后导致真菌数量明显增加。本研究结果为应用生态防控技术缓解连作障碍提供了理论依据。     

旱涝交替胁迫对水稻分蘖期根解剖结构的影响

通过盆栽试验,研究了水稻分蘖期旱-涝-旱交替胁迫对根解剖结构的影响。本试验主要通过不同程度的旱胁迫(重旱,A1和轻旱,A2)和重涝胁迫(保持15 cm水层,B)分3个阶段交替进行,分析各个阶段水稻根的中柱、通气组织、根外层细胞发育及根外层厚度与常规灌溉之间的差异,探讨旱-涝-旱交替胁迫对水稻抗涝性的影响。结果表明,第Ⅰ阶段干旱胁迫(A1和A2处理)能促使根形成发达的通气组织,且形成时间早于常规灌溉(C),A1和A2处理根外层厚度显著高于C处理。第Ⅰ阶段重旱胁迫对第Ⅱ阶段涝胁迫(重旱-重涝处理,A1B)根解剖结构产生明显的影响,A1B处理通气组织较早形成,其导管直径、总面积和中柱面积分别较常规灌溉(CC)增加了43.3%、52.8%、76.5%,而第Ⅱ阶段淹涝条件下(常规灌溉-重涝处理,CB)根仅形成了少量的通气组织。第Ⅲ阶段涝胁迫后再经历旱胁迫(重旱-重涝-重旱处理,A1BA1和轻旱-重涝-轻旱处理,A2BA2),根解剖结构表现与第Ⅰ阶段旱胁迫相似。可见,短期旱胁迫可促进根系通气组织的发育,而不会造成水稻耐涝能力的降低。该研究可为水稻蓄水控灌技术提供理论依据。     

基于海鸥翼型的小型风力机叶片仿生设计与试验

针对现有小型风力发电机效率远低于理论值问题,对100 W水平轴风力机叶片进行仿生改进。采用Spalart-Allmaras模型分析不同攻角下海鸥翼型与标准翼型的气动特性;以标准100 W水平轴风力机叶片为原型,结合海鸥翼型、标准弦长和计算得出的安装角,设计得到仿海鸥翼型叶片;利用SST k-ω模型进行仿海鸥翼型叶片与标准叶片气动特性数值模拟;搭建室内风力机效率测试平台,进行仿海鸥翼型风力机与标准风力机效率对比试验。结果表明:海鸥翼型气动性能优良,最大升力系数是标准翼型的2.19倍,最大升阻比是标准翼型的1.34倍;仿海鸥翼型叶片与标准叶片相比,输出功率提高25.77%。该研究可为小型风力发电机的改进设计提供参考。