风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化.风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake,FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响.结果表明在风剪切入流条件下,随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧,推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大,尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比...

漂浮式风电机组存在平台六自由度运动,使得风电机组气动特性的非定常性显著。本文采用自由涡尾迹法对NREL 5MW风电机组的气动特性进行了模拟。为了能清晰比较单个平台运动对气动性能的影响,将浮式平台的纵摇、纵荡以及横摇运动简化为给定的正弦函数,研究了不同振幅的平台纵荡、纵摇、横摇运动以及两者和三者之间耦合运动下风电机组的气动功率和推力变化。结果表明浮式平台的运动会导致风电机组功率和推力的波动,平台纵摇运动影响最大,横摇运动的影响最小;较剧烈的耦合运动会显著增加平均发电量;平台三自由度耦合运动中,增大纵荡振幅可以增大平均功率输出,并减少平均推力。

海上风电向深远海发展,漂浮式风电机组成为发展方向。漂浮式风电机组存在多自由度平台运动,同时伴随海上多变的风况,叶片的气动特性和结构响应非常复杂。本文基于自由涡尾迹法与模态法建立了漂浮式风电机组叶片气弹模型,对NREL 5MW风电机组叶片的气弹特性进行了模拟,与采用BEM和GDW方法的计算结果进行对比。在对比验证的基础上,采用耦合模型研究了平台纵摇运动下NREL 5MW风电机组叶片气弹特性,结果表明,本文建立的耦合模拟方法可以准确地模拟平台运动下的气动性能与结构动态响应;平台运动会显著增加叶片气动性能的波动,平均功率明显增大,平均推力略有降低;平台运动使叶片表面等效应力发生波动,叶尖变形增大,中内叶展较外叶展更容易受到平台运动的影响。

涡核模型中的涡核尺寸对自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法准确预估风力机气动特性至关重要,涡核尺寸包括初始涡核半径和由于耗散效应涡核半径在尾迹中的增长. FVW方法中涡线控制方程离散采用三步三阶预估校正格式,涡核模型采用经典Lamb-Oseen模型,并考虑了涡耗散效应和拉伸效应.首先,通过气动载荷和叶尖涡涡量平均值的分析得到初始涡核半径的取值范围;然后,根据叶尖涡耗散特性的分析,确定体现涡黏性耗散效应涡核半径增长的经验常数的取值;最后,分析了涡核尺寸对叶尖涡结构的影响,进一步验证初始涡核半径和涡黏性耗散经验常数的取值对风力机气动计算的影响.结果表明:当初始涡核半径大于50%弦长时,FVW方法收敛稳定且能准确预估风轮气动载荷;综合风轮气动载荷和叶尖涡耗散特性,初始涡核半径取60%到70%弦长为宜,且对应的涡黏性耗散经验常数取...

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。