为了比较不同湍流模型得到的风力机叶片翼型气动性能参数计算结果的区别,采用S-A、SST k-ω和RNG k-ω这3种湍流模型对风力机叶片NACA0018翼型进行数值计算,然后将得到的结果和文献给出的风洞实验值进行比较,最后分别讨论了一阶迎风、二阶迎风和QUICK这3种离散格式对计算精度的影响。结果表明:当翼型在未失速(攻角小于14°)状态时,RNG k-ω模型得到的升力系数值与实验值最为接近;当翼型处于失速状态(攻角大于等于14°)时,S-A模型得到的升力系数值与实验值最为接近,而SST k-ω模型得到的阻力系数值与实验值最为接近。

为改善风力机叶片大厚度翼型的气动性能,采用k-ωSST模型对加装扰流板的大厚度翼型进行了数值模拟研究,结果表明:扰流板能够改善大厚度翼型的压力分布,提升翼型压力面的压力,提升翼型的升力系数;相同的扰流板高度不同安装位置下,安装位置越靠近后缘越有利;相同的安装位置不同扰流板高度下,扰流板的高度越大,大厚度翼型的升阻比越大。

对某2.0 WM机型叶片进行叶尖小翼应用的气动特性研究,对比分析了不同叶尖小翼设计方案对风轮推力和轴端功率的影响。对带叶尖小翼的叶片W4设计方案,进一步探究了风轮的推力和功率输出,同时对比研究了有无叶尖小翼叶片叶尖区域的表面压力分布、迹线和速度矢量分布情况。结果表明:所设计的8种叶尖小翼方案均能提高风轮的轴端功率输出,增量范围在1.6%~2.3%,同时风轮承受推力也会不同程度增加。不同的翼尖扭角和弯曲半径设置对叶尖小翼的气动性能有一定的影响。叶尖小翼朝向吸力面弯曲比朝向压力面弯曲具有更好的气动特性,风轮输出功率更高,带叶尖小翼的叶片方案W8对应最高的平均风轮轴向功率提升2.25%。

本文将研究不同最大相对厚度及翼型最大厚度位置对翼型气动噪声的影响。以NACA4与NACA6系列翼型为研究对象,采用基于BPM理论的风力机翼型噪声源仿真软件,研究翼型最大相对厚度及其位置对气动特性和声压级的影响。结果表明:最大相对厚度增大,翼型的气动特性变差,噪声变大。最大厚度越靠近尾缘处时,最大升力系数越大,最大升阻比越大,所对应的最优攻角越小,噪声先增大后减小。

涡流发生器能控制风力机边界层的流动分离,有效提升风力机的气动特性。基于数值模拟的方法,研究了在叶片过渡区域加装涡流发生器对风力机叶片气动特性的影响。研究结果表明,涡流发生器可以有效地提升风力机叶片的气动特性,抑制叶片吸力面边界层的流动分离。同时,分析了过渡区域加装涡流发生器对压力系数、推力系数和扭矩力系数的影响。

基于翼型参数化方法对翼型S809进行两类不同的前缘修改,采用翼型设计分析软件Xfoil对修改前、后的翼型进行气动性能计算分析,并采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法进行流场特性分析。结果表明:翼型前缘下弯使得翼型在失速区升力系数增大,阻力系数减小,俯仰力矩系数减小,转捩现象延迟,翼型前缘上弯对气动性能的影响与之相反;翼型前缘上弯和下弯使得翼型表面压力系数分布均匀,吸力面及压力面压力系数增大;翼型前缘下弯能够抑制流动分离,抑制涡的形成,延迟翼型失速,翼型前缘上弯对翼型流场特性的影响则与之相反。

针对风力机叶片翼型形状对结冰过程的影响及其导致的气动特性变化问题,采用欧拉法及热传质原理构建叶片结冰过程的数学模型并进行数值模拟分析。以NH02系列翼型族为例,建立翼型曲率特征模型,研究叶片关键参数如最大厚度对结冰量的影响机制,预测了某翼型在不同工况下的冰形及位置,探究了干净与结冰翼型的升、阻力特性变化规律。结果表明,结冰量与叶片的相对厚度及最大相对厚度所在位置呈正相关性;结冰导致升力系数变化范围为5%~20%,阻力系数为干净翼型的1.4~2.45倍;结冰致使翼型失速迎角变小,翼型提前进入失速状态。

为研究大型风力机的主动降载控制方法,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,建立了具有尾缘襟翼的智能叶片风力机非定常气动模型,并分析其非定常气动性能。基于x-LMS分别对桨距角和尾缘襟翼角进行控制,提出将二者结合的复合主动降载控制方法,并分析了在不同风况下所提控制方法的控制效果。结果表明:所建模型可有效模拟出智能叶片风力机的非定常气动性能;所提控制方法可同时抑制高频与低频叶根挥舞弯矩波动,并显著降低叶片疲劳载荷,有利于风力机的稳定运行。

为了提高风力机翼型特性模拟的准确性，采用数值求解N-S方程的方法，对NACA0015翼型的气动性能进行了数值模拟．考虑不同湍流模型、不同的计算格式、不同近壁面处理方法对风力机翼型特性模拟有着不同影响，数值模拟中应用3种不同湍流模型和3种不同的计算格式，同时配合6种不同近壁面处理方法，并将计算结果与实验结果进行对比。结果表明，在边界层内布置合适的网格点，采用k—ωSST湍流模型数值模拟，可使NACA0015翼型阻力系数的计算精度明显提高。

针对液压系统存在非线性和软参量等问题，以兆瓦级风机电液比例变桨距系统为研究对象，结合液压变桨距机构各部分的特性，对电液比例变桨距系统进行深入分析并建立了较精准的数学模型，采用古典控制方法分析系统的稳定性及稳定程度。结果表明：该系统模型是可靠的，为完善变桨距控制系统和深入研究风力机的功率控制提供了参考。