采用大涡模拟方法,研究添加仿生脊状结构对翼型流场和气动性能的影响,讨论了添加脊状结构后翼型流场的流动特性和涡结构特性。研究发现:(1)在α=6°攻角下,仿生翼型改善了边界层分离情况,后段布置的脊状结构能够有效推迟翼型边界层分离点,抑制边界层大涡形成,控制分离涡的发展和脱落,表现出更好的控制效果。(2)仿生翼型不仅提高了翼型的升力系数更在很大程度上降低了翼型的阻力系数,升阻比较原翼型有了较大提高。

为将风力机气动特性理论应用于新能源课程的实验教学中,基于Unity 3D和3D Max软件设计开发了风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台,构建了原理认知和规律探究实验模块,进行了风力机发电的气动原理感知仿真、翼型气动优化设计和叶片附加结构气动优化设计实验研究。结果表明该平台具有良好的人机交互性能和创新性,在强化学生对翼型气动特性理解、经济性、线上教学方面具有明显优势,提高了风力机空气动力学实验教学质量。

风力机在运行时会产生明显的气动噪声,影响周边居民的生活。为研究风力机叶片损伤对气动噪声的影响,文中对NACA0012翼型表面不同位置受损的情况进行数值模拟,在此基础上利用大涡模拟及Lighthill声类比方法求解了攻角5°时的气动噪声,并分析了气动噪声的影响因素。计算结果表明,翼型升阻力系数及气动噪声的变化均与损伤位置相关,其中吸力面前缘受损影响最大,且损伤会导致中高频段声压级升高,对周边居民的生活影响增大。

通过风洞试验研究风力机尾缘襟翼的气动特性,分析尾缘襟翼对翼型绕流的影响,得到尾缘襟翼对翼型气动参数的调节规律。尾缘襟翼具有对高频荷载敏感,响应速度快的特点,可有效补偿风力机变桨距控制的不足。设计了风力机独立变桨距与尾缘襟翼协同控制策略,独立变桨距控制环主要用于减缓低频荷载及振动,尾缘襟翼控制环主要用于减缓高频荷载及振动,并通过风力机模拟仿真分析控制策略的作用效果。研究结果表明尾缘襟翼与独立变桨距协同控制可同时减缓叶片低频和高频的荷载及振动,降载减振控制效果良好,具有较好的工程应用前景。

文章选取风力机常用翼型DU91-W2-250和NACA63-425为研究对象,通过γ-Reθt转捩模型对光滑翼型和粗糙翼型进行了二维定常模拟。用矩形凸台代替实际锯齿形粗糙带验证了模拟翼型表面粗糙度效应的可行性。通过升、阻力系数的比较和流场显示,探讨了粗糙度影响翼型气动性能的内在机理。数值模拟结果表明矩形凸台可以有效地模拟翼型表面的粗糙度效应,在翼型吸力面5%弦长位置,翼型气动性能随前缘凸台高度的增加而恶化;随着凸台位置向尾缘移动,DU91-W2-250翼型的气动性能逐渐接近原始翼型,NACA63-425翼型的气动性能呈现出先恶化后改善的趋势。

以NREL 5 MW大型风力机为研究对象,采用数值模拟的方法研究了风切变和塔影效应对风力机工作的影响。对均匀来流风轮模型、均匀来流整机模型、切变来流风轮模型、切变来流整机模型四种情况进行了研究。发现风切变会降低风力机平均推力和功率,降低值分别为3.2%和2.8%,塔影效应会使风力机在一个旋转周期出现3次明显压力脉冲。风切变与塔影效应共同作用使风力机平均功率降低更多。数值模拟能给出速度、压力分布等详细流场信息,为风力机的设计和安全运行提供参考。

对风力机专用的S809翼型尾缘上表面不同位置添加小圆柱的方法对后缘气流的流动状态进行控制,通过N-S方程数值模拟0°~20°攻角下翼型的气动性能变化。结果表明,在大攻角时小圆柱扰流能够推迟翼型上表面的流动分离点,改善后缘上表面的涡流结构,使得上表面气流的绕流效应减弱,增大上表面流速,减小翼型上表面压力,从而提高翼型升力、降低翼型阻力。同时,小圆柱存在最优尺寸使得对尾部涡流的控制效果最佳,气动性能达到最好。

湍流边界层尾缘噪声是翼型及风力机气动噪声的主要来源。本文应用的壁面压力谱方法是基于Aimet噪声理论提出的一种翼型尾缘噪声预测模型。首先,分别采用Goody、Rozenberg、Kamruzzaman、Lee、Hu等五种不同的壁面压力谱方法,对NACA0012和NACA64-618翼型进行噪声预测,并与实验数据对比,分析了各攻角和雷诺数下壁面压力谱方法对翼型尾缘噪声预测的准确性。其次,在Lee翼型尾缘边界层噪声建模的基础上,结合风力机叶素-动量理论,创新性地提出了一种新的风力机气动噪声预测模型,并与Bonus Combi 300 kW风力机的气动噪声实验数据进行对比,噪声谱对比结果验证了当前模型的有效性。该研究可为相关风力机气动噪声研究提供一种新的预测方法。

当风速大于额定风速时,风电机组通过控制变桨机构调整桨距角来减小风能捕获,从而使机组的输出功率保持在额定功率附近。变桨系统一般采用PI(比例积分)控制算法,但由于风轮气动转矩与风速、风轮转速、桨距角呈高次复杂非线性关系,单一控制参数的变桨控制器难以满足风电机组在额定风速以上的运行性能要求。为了解决单一变桨控制性能不足的问题,提出一种基于风轮气动特性的风力机变桨优化控制策略,该策略通过测量桨距角当前值来动态调整变桨控制器参数,可有效提升变桨系统随风动作连续性,减小由变桨控制引起的转速与功率波动,削减机组由变桨动作引起的动态载荷。

建立独立液压变桨距控制系统的数学模型,并对变桨距控制系统进行稳定性分析,确定独立液压变桨距控制系统的设计参数;通过对风力机系统进行SIMULINK仿真分析,验证了风力机能在超额定风速状态下正常工作,说明此独立液压变桨距控制系统模型的可行性和设计参数的准确性,为开发液压变桨距控制器提供了依据。