风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。     

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。     

地面光伏电站不同阵列基础类型对水土流失的影响

我国的地面光伏电站多数建在水土资源脆弱的西北地区,由于光伏电站占地面积较大,会对水土造成一定扰动,而造成最大扰动的因素是光伏电站阵列基础建设。分析了螺旋钢桩、混凝土灌注桩、钢筋混凝土等3种基础形式的优缺点及对水土流失的影响,结果为:在水土流失影响、工期、施工成本方面,螺旋钢桩、混凝土灌注桩基础均优于钢筋混凝土基础,但是前两者对土质、地下水位有一定要求,其适用范围有一定的局限性。建议在满足相关要求的前提下,从水土流失影响角度考虑应优先采用螺旋钢桩、混凝土灌注桩基础。     

振动方式和频率对杏树振动采收响应的影响

为了研究受到不同振动激励后杏树的响应状态以及杏树最佳振动采收频率,该文建立了单偏心式和对称双偏心式振动激励下杏树响应模型以及杏树-采收机动力学模型;分析杏树受振动激励后,不同位置的振动响应状态。理论分析与试验表明,杏树受单偏心式振动激励时,主要表现为扭转振动,夹持位置运动轨迹为圆形;受对称双偏心式振动激励时,主要表现为弯曲振动,夹持位置在水平方向上做往复运动,运动轨迹为直线。利用LabView振动测试软件,通过沿杏树主干安装的加速度传感器,检测杏树不同位置振动加速度变化。分析表明,振动由夹持位置沿树干向上传递,同时获得不同位置的加速度振动响应曲线;通过MATLAB对达到振动稳态后0.1 s内数据进行傅里叶拟合分析表明,各级枝干检测点均做周期性简谐运动,得到不同位置加速度拟合曲线及振动响应函数;通过对0~50 Hz加速度频谱分析表明,杏树在11.56 Hz振动激励时,各检测点加速度值最大。该研究可为林果振动收获机械设计与优化提供参考。     

叶片前缘磨损形貌特征对风力机翼型气动性能的影响

根据实际风电场中风力机叶片前缘磨损在不同阶段的形貌特征,通过对DU 96-W-180风力机翼型前缘进行改型,建立几何模型,结合SST k-ω湍流模型求解RANS方程,分析了翼型的升力、阻力及流场特性,研究了风力机翼型前缘磨损形貌特征对其气动性能的影响。结果表明,前缘磨损特征为砂眼和小坑时,对翼型的升、阻力系数影响较小;而前缘磨损特征为脱层时,对翼型的升阻特性影响显著,尤其随着攻角增加,升力系数大幅减小,阻力系数急剧增大,并且随着磨损的加剧,减小和增加的幅度逐渐增大。前缘磨损加剧了翼型吸力面尾缘附近的流动分离,使分离点前移;砂眼和小坑对气流在翼型前缘的流动影响较小;脱层对翼型前缘附近流动影响很大,导致翼型表面出现台阶流,气流绕过台阶先发生分离,然后再次附着翼型表面流动。     

风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响

风力机的运行环境复杂多样,海上盐雾、雨滴、沙尘等（体积分数小于10-6）的稀相颗粒流场是当前海、陆风力机经常面临的工作环境,然而风力机运行对稀相颗粒输运特性的影响尚不明晰。该研究采用风洞试验的方法,研究风力机对稀相颗粒输运特性的影响规律。该试验中,风为载流体,沙粒作为惯性颗粒,分别测量了0～100、>100～200、>200～300 μm粒径沙尘在距离风轮平面后1d、2d、3d、5d、8d（d代表风轮直径）处的输沙通量分布。研究发现,三组粒径条件下在1d断面位置处风力机的输沙通量随高度增加出现3次先增大后减小的变化,风力机运行改变了沙尘的输运特性,叶尖高度处出现沙尘聚集现象,叶根高度处的输沙通量则被削弱;通过对比三组粒径条件下风力机的阻沙量发现,叶尖位置>100～200 μm粒径下风力机的阻沙量最多,0～100 μm粒径下风力机的阻沙量次之,>200～300 μm粒径下风力机的阻沙量最少,体现了叶尖涡对不同粒径沙尘颗粒的选择性聚集;对比不同断面位置风力机的输沙通量发现,随着输运距离的增加,风力机尾流逐渐恢复,输沙通量也逐渐减小;总体来看,风力机的存在阻碍了沙尘的输运,且对>100～200 μm粒径的颗粒阻碍作用最大。该试验结果揭示风力机对风沙输运特性的影响特征并对海上盐雾颗粒输运研究具有借鉴意义。     

不同滴灌方式对玉米根系伤流与光合特性的影响

为探明不同滴灌方式对玉米根系伤流特性及叶片同化功能的影响,在可移动式防雨棚内展开池栽试验,设置L1（地上滴灌-300 mm）、L2（地上滴灌-400 mm）、L3（地上滴灌-500 mm）、Q1（浅埋滴灌-300 mm）、Q2（浅埋滴灌-400 mm）和Q3（浅埋滴灌-500 mm）共计6个处理,研究不同滴灌方式对玉米根系伤流强度及组分含量、叶片光合特性及碳代谢相关酶活性、光合氮素利用效率、干物质积累和产量的影响。结果表明,随滴灌定额增加,玉米根系伤流强度,伤流液中8种元素含量、细胞分裂素含量及水解氨基酸总量,叶片净光合速率（Pn）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（E）及水分利用效率（WUE）,叶片核酮糖二磷酸羧化酶（RuBP）和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEP）活性,叶片含氮量、光合氮利用效率,干物质积累量和产量均呈增加趋势;伤流液中脱落酸和可溶性糖含量、叶片气孔限制百分率（Ls）均呈下降趋势。L3、Q2和Q3处理的上述指标间差异不显著,采用浅埋滴灌处理的玉米各指标均优于同一滴灌量下的地上滴灌处理。Q2处理的玉米根系能够较好地通过伤流液传输多种物质来调控叶片的光合...     

沙区光伏阵列对近地层风沙输移的干扰效应

沙漠地区建设光伏阵列后,地表吹蚀和堆积过程引起的地貌变化不仅严重威胁到了光伏组件固定结构的稳定,而且间接加速损耗了电板发电功率.为探究沙区光伏阵列扰动下近地层风沙输移特征,在库布齐沙漠中段的200 MW光伏电站腹地区域,通过同步测定光伏阵列腹地电板不同部位(板间、板前和板后)和上风向无光伏设施覆盖的流动沙地近地层输沙率...     

生化黄腐酸对土壤物理性质及水分运动特性的影响

为了探究生化黄腐酸(biochemical fulvic acid,BFA)在土壤结构改良方面的应用,通过向土壤中添加BFA,研究其在不同浓度处理下对土壤物理性质及水分运动特性的影响.结果表明:(1)随着BFA施加比例提高,土壤中>0.25 mm的水稳性团聚体数量显著增多,施加比例为20 g/kg时,R0.25、MWD...     

QCM气敏传感器阵列的制备及其对鸡蛋货架期的检测

为实现鸡蛋货架期的无损检测,该文提出了基于石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)传感器阵列的检测方法。采用浸涂法制备了4个QCM气敏传感器,分别修饰有碳纳米管、石墨烯、氧化铜以及聚苯胺敏感材料薄膜;优化传感器的敏感材料层数后,分别选择4层碳纳米管、4层石墨烯、5层氧化铜和5层聚苯胺修饰的传感器构成QCM传感器阵列,其灵敏度分别为2.05、1.37、2.31与1.70 Hz/(mg/kg),长期稳定性均高于85%,4个传感器表现出良好的重复性、回复性以及动态响应特性。进一步将所制备的QCM传感器组成阵列应用于鸡蛋货架期的检测中,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)、线性判别分析法(linear discriminant analysis,LDA)对不同货架期的鸡蛋样品进行区分,LDA法能够有效区分不同货架期的鸡蛋样品,区分效果优于PCA;采用偏最小二乘回归法(partial least squares regression,PLSR)建立鸡蛋货架期的回归模型,能够很好预测鸡蛋样品的货架期(R~2=0.954 7,RMSE=1.666 1 d)。结果表明,所制备的QCM传感器阵列能够实现不同货架期鸡蛋的区分和预测,研究结果为鸡蛋货架期的无损检测提供参考。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性模拟与试验

对于大型风力发电机组,风切变的影响不容忽视。浓缩风能型风力发电机可以提高风能密度,改善风能的不稳定性。为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置风切变的流动规律,该文以浓缩风能装置为研究对象,进行了流场风切变特性的数值计算和风洞试验研究。采用具有风速梯度4.2 s-1的风洞进行浓缩风能装置模型的风切变风洞试验。结果证明浓缩风能装置具有减轻风切变的能力;浓缩风能装置使来流的风速梯度由4.2 s-1减小为3.4 s-1,有效地提高了叶片载荷均匀度和风力发电质量;数值计算结果与试验结果相符。研究结果可为风切变研究和完善浓缩装置与叶片的设计提供参考。     

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。     

基于改进VonKarman模型的风力机来流三维风速模拟

为准确表征风力机来流的三维脉动风场,基于改进Von Karman模型,分别采用谐波叠加法(harmony superposition method,HSM)和自回归滑动平均法(auto-regressive moving-average,ARMA)对某33 k W水平轴风力机来流风况进行脉动风速模拟,并采用现有软件在同等参数下模拟结果与2种方法的对比。结果表明,HSM法所模拟出脉动风速的功率谱与目标谱更加吻合;3种方法自相关性都随时间增大而减小,其中ARMA法和软件模拟结果的自相关性较好;HSM法互相关系数极差值在8.49、11.31、19.80 m的间距上分别为0.764 9、0.580 7、0.438 7,其互相关系数随间距增大而减小,更符合实测结果。研究不仅可为不同风场随机来流条件下风力机气动计算提供依据,也可为近地面其他农业机械及工程设施的风荷载计算提供参考。     

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。     

浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

基于SCADA数据的风电机组关键载荷预测

风电机组关键位置载荷预测对风电机组安全、经济运行具有重要意义。通过建立SCADA数据与载荷间的近似关系对风电机组关键位置载荷进行预测。采用BP神经网络建立SCADA数据和载荷的关系模型,利用SCADA数据与载荷间的相关性来筛选模型输入参量,采用试错法确定BP神经网络的层数与神经元数量。针对某2.5 MW风电机组的7处关键位置进行了载荷实测。研究表明,在不采用风速作为输入参量的情况下,模型的预测结果与实测结果具有良好的一致性,相对误差的均值在1.28%到15.6%之间,决定系数R2在0.951到0.882之间;与试错法选择输入参量相比,基于相关性计算的输入参量选择方法能够更高效地筛选出更多恰当的SCADA参量,从而进一步提高预测准确度。因此,基于BP神经网络建立SCADA数据与载荷的近似关系可作为风电机组关键位置载荷预测评估的有效手段。     

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。