叶片挥舞振动后风轮流场特性

为了研究水平轴风力机叶片挥舞振动后风轮尾迹流场特性的变化规律,以某NACA翼型风轮为研究对象,通过自定义UDF代码及采用动网格技术成功控制了叶片振型,使得风轮在三维旋转的同时做垂直于旋转面的挥舞运动.数值模拟中利用Fluent计算平台对风轮尾迹速度场、涡量场及压力脉动特性进行研究.研究结果显示:施加振动后风轮在1个旋转周期内均会在叶中附近产生相对速度增益区、叶尖处会产生速度亏损区域,从而使叶片受力更加不均匀,出现较大压差,加速叶片的损坏与断裂;施加挥舞振动后叶尖处涡量强度增加,叶尖涡的脱落有所延迟;施加振动前后压力脉动均呈现周期性波动,且在径向0.5 m处压力脉动波动最为明显.通过引入新的非定常因素,揭示挥舞振动对风轮尾迹流场特性影响规律,使数值模拟结果更加逼近风力机实际运行状态,对风力机叶片设计具有指导意义.     

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.     

垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

偏心风轮结构对垂直轴风力机气动特性影响数值模拟

为了改善垂直轴风力机气动特性,提出了一种具有偏心结构的直线翼垂直轴风力机风轮形式,通过增大叶片气动力对转轴的作用半径来改善风力机的起动性能和提高输出功率特性.以采用NACA0018翼型的3叶片风力机为对象,利用数值模拟方法计算了具有6种不同偏心量风轮结构的风力机静态起动力矩系数和输出功率系数,分析了不同偏心量对风力机气动特性的影响规律.计算结果表明:适当的偏心量可消除在某些方位角处的反向力矩,使静态力矩系数波动变得平滑,从而有效改善直线翼垂直轴风力机整体起动性能.同时,适当的偏心量还可有效提高风力机的输出功率特性,最大功率系数可提高12%.     

基于动网格技术水平轴风力机叶片及尾迹流场旋涡特性

为了研究风力机流场中涡的产生及演化过程,采用动网格技术中的重叠网格方法对水平轴风力机流场进行计算,利用Q准则对叶片表面、叶尖涡及中心涡涡旋结构进行可视化分析,并将计算结果与相同工况下滑移网格计算结果进行对比分析.结果表明:对比2种方法在不同截面的叶片表面涡量分布,动网格方法计算得出在吸力面流动分离区域更大,能够捕捉到更多叶片表面边界层分离的细节;叶尖涡在向下游运动过程中将出现“叶尖涡跳跃”现象;中心涡在尾迹流场中涡量分布呈双峰状,在风轮后0.5D~2.0D内,叶尖涡与中心涡发生混合扩散;动网格与滑移网格计算得出尾迹流场中,中心涡分布趋势基本一致,采用动网格方法得出涡量峰值更大,采用滑移网格方法得出中心涡更早发生扩散.相较于滑移网格方法采用动网格方法研究风力机流场中的涡会更具优势.     

垂直轴风力机叶片动态失速数值模拟

利用数值计算方法研究了一种典型的大高径比垂直轴风力机叶片动态失速现象。在验证数值计算方法可靠的基础上,结合速度矢量图和涡量图,研究了8 m/s风速时风力机在不同尖速比下叶片动态失速现象以及风轮尺寸改变时风轮动态失速流场及其对风力机功率系数的影响规律。研究表明,尖速比过低,增大弦径比和叶片数均导致叶片动态失速和气流分离呈现加剧趋势,削弱风力机的气动性能。对用于城市风力发电的大高径比垂直轴风力机,应使其在最佳尖速比下运行,同时控制弦径比在0.2~0.4之间,叶片数为3或4,以获得较好的气动性能。     

组合型垂直轴风力机结合角度对起动性的影响

与Savonius风轮组合使用是改善直线翼垂直轴风力机起动性的重要方法,而二者的结合角度对组合型垂直轴风力机的起动性有很大影响.首先,设计了采用FX63-145和NACA0018翼型的直线翼垂直轴风力机和Savonius风轮,利用风洞试验测试并分析了各自的起动性.然后,分别将Savonius风轮的最佳起动区域与两种直线翼垂直风力机的最差起动区域和最佳起动区域进行组合,测试了在这4种不同组合方式下的组合型垂直轴风力机的起动性.结果表明:对于采用对称翼型的直线翼垂直轴风力机,将直线翼垂直轴风力机的最佳起动区域与Savonius风轮的最佳起动区域结合的方法可以更好地提高组合型垂直轴风力机的起动性.而对于采用非对称翼型的直线翼垂直轴风力机,两种组合方式各有优缺点.     

基于双向流固耦合水平轴风力机输出功率分析

针对流固耦合作用影响风力机的气动性能问题,基于CFX与ANSYS对风力机双向流固耦合模拟及未考虑耦合的风力机流场和结构场进行模拟,探究在额定工况下流固耦合作用对风力机输出功率影响情况.通过对比分析耦合前后的叶片表面压力分布、叶片的变形、风轮的扭矩进而研究风力机输出功率的变化.结果表明:考虑流固耦合作用时,风轮压力面的正压值基本不变,吸力面的负压值明显减小,叶片表面的压力差增大,而叶片在流固耦合作用下表面压力分布趋势无明显变化;叶片主要变形集中在靠近叶尖处,且越接近叶尖变形越大,呈非线性分布,叶片在流固耦合后的变形量相对未耦合增大,叶片的变形主要是沿着轴向的挥舞变形;且叶片的扭矩也更大,流固耦合作用下计算风力机输出功率为383 W,比未耦合增大1.6%,与试验值更接近.     

偏航状态下水平轴风力机尾迹偏移及湍流特征分析

为探索水平轴风力机偏航状态下尾迹变化情况,采用数值模拟结合理论分析的方法对不同风速、不同偏航角工况下的S翼型水平轴风力机尾迹流场进行数值分析.首先分析偏航与风力机输出功率之间关系,在此基础上分析不同偏航角工况尾迹中心的偏移情况以及尾迹处湍流强度的变化情况.结果表明:随着偏航角的增大,叶片表面的压强差减小,方位角每隔120°,叶片表面正压和负压在数值上均达到一次峰值,能造成风力机输出功率有明显损失的恶劣偏航角临界值为10°~15°;随着偏航角增大,沿轴向在1.0D之前尾迹速度中心向X轴的负方向偏移的程度增大,在此之后偏航角小于15°时尾迹中心的偏移程度增大,偏航角大于15°时减小;随着偏航角的增大,尾迹湍流强度的最大值增大,尾迹湍流强度恢复加快,尾迹缩短;偏航下风力机尾迹上下侧湍流强度分布不对称,湍流强度变化不同,使风力机尾迹湍流环境更复杂.     

不同入流条件对屋顶风力机输出功率的预测

针对地形及城市建筑屋顶风能情况复杂多变的问题,探究入流条件对屋顶风力机输出功率的影响.依据3种典型的城市及郊区地表粗糙度,拟合对应的指数、对数及半对数入流风剖面.选取自制S翼型300 W水平轴风力机,安装于平屋顶合适的位置,采用User Defined Functions接口分别加载3种入流条件,对屋顶流场湍流特性及风轮输出功率进行数值计算.对比分析发现:城市郊区地形的指数入流下建筑屋顶加速效果较小,湍流强度大,不宜安装风力机;城市市区地形的对数入流下风速加速效果最明显,风轮输出功率较高,但其屋顶流场分离、阻滞和湍流程度较大,湍流强度也较大,风力机安装的适宜位置和台数将减少,且存在结构破坏和成本增加等问题;高大建筑城市市区地形的半对数入流下的流场分离、速度阻滞和湍流强度较小,建筑集风效果较明显,适宜安装多台风力机,并可避免风力机结构破坏等问题.     

风向变化速度对风力机功率及转速的影响

为了探索风向变化时风力机输出功率及转速的变化情况,以某S翼型三叶片水平轴风力机为研究对象,利用旋转平台模拟风向匀速变化过程,采用IEC61400中规定的极端风向角变化速度5°/s为上限,每间隔1°/s选取1个风向变化速度,即选取1,2,3,4和5°/s这5个风向变化速度,研究不同风向变化速度下风力机输出功率、转速的变化规律.结果表明:风力机在不同风向变化速度下其输出功率与转速总体都呈现波动下降趋势,同一风速下风向变化速度越大,下降速率越快,但在其风向变化过程中对应的下降幅值越小;在风向变化开始与结束时都存在迟滞现象,风向变化开始时风力机输出功率出现小幅度上升,并持续波动3 s左右后才会开始下降;风向变化结束后,风力机需要继续运行一段时间后输出功率与转速才会达到稳定值,风向变化速度越大,该迟滞时间越长,初始尖速比越大,最终稳定后数值越大.     

非对称翼型反装对H型垂直轴风力机流场分布的影响

H型垂直轴风力机(H-VAWT)是典型的升力型垂直轴风力机,且有集群式发展的潜力和优势.文中采用数值模拟的研究方法,建立二维模型,对比分析了使用非对称翼型的H-VAWT叶片反装时的流场结构,以及反装时叶片数对H-VAWT流场分布的影响.结果表明:对于非对称翼型的H-VAWT,叶片反装所产生的尾流湍流强度较叶片正装时大,且尾流的恢复能力差,进而影响到H-VAWT在风场中的布局,但是叶片的正装和反装对H-VAWT附近外流场中Y方向上流场分布的影响基本一致;随着叶片数的增加,反装叶片的H-VAWT本身产生尾流的湍流强度增加,这增强了下风轮区域叶片和上风轮区域叶片所产生湍流的相互作用,但是叶片数为3时,叶片的正装和反装所产生的湍流差别不大.     

高原地区垂直轴风力机应用分析

青藏高原大部分地区属风能资源可利用区,但风向的多变特性限制了水平轴风力机的应用.从分析青藏高原地区风能资源分布情况及特征入手,依据高原独特的气象条件,采用理论分析方法探讨了空气密度对垂直轴风力机出力特性的影响规律,采用数值模拟方法对比海拔4 000 m处以及标准状态2种空气密度下垂直轴风力机的出力特性,归纳了光照辐射、覆冰、雷击等特殊因素对垂直轴风力机的影响.结果表明:空气密度对风能利用系数影响较小,但对输出功率影响较大.在相同风速条件下,同一垂直轴风力机在海拔4 000 m处(即ρ₁=0.843 7 kg/m³)输出功率约为在ρ₀=1.225 0 kg/m³地区的0.60~0.67倍.最后针对分析结果,提出了风轮改进设计方法及应对环境因素的改善措施.研究结果可对高原环境下垂直轴风力机的推广应用提供参考.     

具有大实度直线翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

针对实度对直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,以采用NACA0018翼型小型直线翼的垂直轴风力机为对象,选取了0.30和0.35共2种较大的实度,每种实度下的叶片数分别为3,4,5.利用数值模拟的方法研究不同条件下直线翼垂直轴风力机的静态启动特性和动态功率特性.结果表明：在大实度情况下,叶片数对风力机气动特性的影响较大.在相同实度时,叶片数的增加能够降低各个方位角下静态力矩系数的波动,并对反向力矩有所改善,但会使最大力矩系数降低;在旋转状态下,叶片数的增加会减小最佳尖速比前的功率系数上升速度并降低功率系数,且最佳尖速比后的功率系数降低速度也减小.当叶片数相同时,具有0.35实度的风力机静态平均力矩系数大,且多数方位角下的力矩系数大于实度为0.30的风力机;在风力机旋转状态下,实度为0.30的风力机最大功率系数大于实度为0.35的风力机.     

基于滑移网格的垂直轴风力机非定常数值模拟

采用滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机进行了非定常数值模拟,得到尾流速度、特定过流断面的速度分布规律,并与经典的多流管理论计算出的尾流速度、特定过流断面速度进行了对比,数值模拟结果与理论计算值吻合较好.结果表明,采用滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机进行非定常的数值模拟能够较好地反映流场特性.     

具有导流板直线翼垂直轴风力机气动特性分析

为了改善直线翼垂直轴风力机的气动特性,通过在风力机外部安装平板型导流板,用以改变来流方向,改善叶片周围流动情况,从而提升风力机的气动特性.以采用NACA0018翼型的4叶片小型直线翼垂直轴风力机为对象,在风力机外部均匀安装了6枚平板型导流板,采用二次正交旋转设计方法,对导流板的宽度、角度和与风力机距离进行研究.以平均静态力矩为指标,通过数值模拟研究得到一组最优的导流板结构参数,并对静态流场进行了分析.根据数值模拟得到的最优导流板结构参数,制作了导流板及风力机模型,进行了风洞试验.结果表明:导流板的安装有效提升了直线翼垂直轴风力机的启动性能和气动性能.在10 m/s风速下,与无导流板的风力机相比,有导流板的风力机最大静力矩系数提升了35.6%,功率系数提升了39.5%.结论可为采用导流板来提升风力机性能的研究提供有益的参考.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

直线翼垂直轴风力机静态流场数值模拟与可视化试验

为研究翼型对直线翼垂直轴风力机启动特性的影响,选取了厚度相似的正装非对称翼型S809与通用对称翼型NACA0018进行两叶片垂直轴风力机的对比研究.首先,运用数值模拟的手段得到采用2种翼型风力机的周期静态力矩曲线,取得二者力矩差异较大的特定方位角,并且进一步获得特定方位角下的涡量图和矢量图.然后通过可视化试验得到叶片周...