为了获取更多的风能,针对升力型垂直轴风力机趋于大型化设计而造成的垂直轴风力机起动困难的问题,提出了一种升阻复合型的新型垂直轴风力机.在保持其升力叶片不变的前提下,利用Fluent数值模拟,建立9种升阻复合风力机数值模型,研究了阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离对其起动性能与运行效率的影响规律.得到阻力叶片最佳的尺寸与位置组合后,与纯升力型的垂直轴风力机进行了比较.结果表明:在起动性能方面,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离越大,风力机的起动性能越好.在运行效率方面,当尖速比为0.5~1.0时,阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离的变化,对风力机功率系数影响不大;当尖速比超过1.0之后,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离变大,会使风力机的功率系数减小.升阻复合型风力机虽运行效率有所降低,但起动性能明显提升.

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。

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...

对风力机轻风启动,有效利用风能进行研究。利用仿生耦合技术通过对鸽子翼型数据提取,建立仿生模型。基于NACA0015翼型及鸽子数据特征,将优缘凸起、后缘凸起及前后缘凸起三类翼型与NACA0015翼型进行对比,分析得到翼型上下表面压力分布、表面流场变化、剪切应力分布及增升减阻各气动系数,当失速攻角为16°、马赫数为0.073条件下,仿生翼型在提高升力方面比NACA0015提高了31.98%、降低阻力达到了10.62%,仿生翼型对表面流体起到了有效改善,改变结构的翼型对提高升力,降低阻力有了很大的提高。

为研究大攻角下前缘突节结构对风力机叶片气动性能的影响,基于FLUENT数值模拟,采用RNG k-ε湍流模型分别对标准叶片和仿驼背鲸鳍叶片进行气动特性分析。结果表明,较小的攻角下仿生叶片的气动性能并不如标准叶片。当攻角α≥20°之后,标准叶片出现明显的失速特性,此时带有前缘突节的仿生叶片升力系数也有所降低,但下降趋势比较平缓,大攻角下仿生叶片的升力系数始终高于标准叶片,具有良好的气动性能。风力机叶片特定截面处的速度云图以及叶片表面压强和流线的分布情况表明,叶片前缘特殊的突节结构相当于一个漩涡制造器,正弦前缘波峰处优良的气动性能是仿生叶片在大攻角下依然具有较高的升力系数的主要原因。前缘突节的幅值和个数是影响仿生叶片气动性差异的主要因素。

为研究三角襟翼对风力机叶片翼型气动特性的影响,将三角襟翼加至NACA4412翼型尾缘,建立其二维襟翼计算模型,基于CFD数值模拟方法分析不同宽度和长度的三角襟翼在0°~18°攻角范围内的气动特性,得到了各攻角下升阻力系数、升阻比及翼型壁面压强分布曲线。结果表明:增加襟翼长度,使得翼型升阻比减小,失速攻角提前,增加襟翼宽度,使得翼型升阻比增大,失速攻角延后,因此适当减小三角襟翼的长度和增加其宽度有助于提高翼型的气动特性,将翼型尾缘5%部分作为空间生成襟翼,与传统襟翼相比,节省了制造材料和空间。

为了研究不同湍流模型对风力机翼型气动性能模拟的影响,以风力机专用翼型DU97-W-300为研究对象,使用网格划分软件GAMBIT对翼型流场区域进行划分网格,采用FLUENT16.2对翼型进行气动性能分析,比较全湍流S-A模型及带转捩修正的Transition SST模型的模拟结果。研究结果表明,S-A模型计算的升力系数更接近实验值,T-SST模型在小攻角时计算的阻力系数与实验值基本一致,大攻角时有一定误差,但趋势都与试验结果相同。研究结果对风力机翼型的气动性能分析具有一定的参考价值和指导意义。

采用大涡模拟方法,研究在翼型不同位置添加脊状结构对翼型流场及气动性能的影响。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°攻角条件下,无论riblet-Q翼型模型或riblet-H翼型模型均可改善边界层分离情况,但riblet-H翼型模型表现出更好的控制效果;(2)后段布置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;(3)riblet-H翼型模型使翼型的升力系数增大,同时也使其阻力系数降低,升阻比较原翼型有了较大提高。

基于计算机流体力学（computational fluid dynamics，CFD）方法和虚拟叶片（virtul blade method，VBM）方法研究了风力机尾迹与复杂地形的相互作用，以实际风电场为例，分析了造成复杂地形风电场中风力机振动的主要原因，提出了一种基于CFD的快速分析风电场气动性能的方法，比较了雷诺平均（Reynolds-averaged，Navier-Stokes，RANS）和大涡横拟法（large eddy simulation，LES）求解方法在捕捉地形效应和尾迹及预测风电场功率性能方面的差异。研究分析发现，机组尾流和复杂地形效应造成的湍流强度过大是造成该风电场风力机运行时剧烈震动的原因，LES方法预测尾流的延迟衰减和更明显的尾流干扰作用导致风电场的发电量低于RANS方法。RANS方法过度预测湍流，导致湍流动量更快的扩散和尾流快速恢复。因此，CFD结合VBM分析复杂地形条件下风电场气动性能的方法，可实现...

基于升力面理论，将风力机叶片简化为由分布在叶片中弧面上的一系列等强度涡格，并结合全自由涡尾迹理论，建立了一种新的风力机叶轮气动模型。该气动模型增加了对翼型弯度影响的考虑，并通过全自由涡尾迹得到尾迹的准确的诱导作用。使用该模型对Mexico风洞实验中的三种工况进行了数值计算，对比了叶轮推力、扭矩，及叶片载荷分布的实验和仿真结果。比较了尾迹圈速，初始涡核大小和相对总粘性系数在不同的取值情况下的计算结果，以研究模型中参数对计算结果的影响。通过与实验数据的对比发现，该模型的初始涡核大小的选择对计算结果有比较大的影响，在涡核较大时候会带来结果的大幅偏离，而相对总粘性系数的影响效果较小。因此在使用该模型的时候，需要在选择合适的参数范围内以获取较高的计算精度。