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塔影效应下风轮仰角对风力机气动特性的影响

可再生能源 2024年第3期42卷 340-347页

作者：路瑶于鹏张立茹高伟闫蓉牛大川内蒙古工业大学能源与动力工程学院内蒙古呼和浩特010080 国网辽宁省电力有限公司电力调度控制中心辽宁沈阳110006 风能太阳能利用技术教育部重点实验室内蒙古呼和浩特010080

考虑风力机塔影效应的影响,针对风轮仰角导致风力机气动特性更为复杂的问题,文章对不同仰角水平轴风力机流场进行了数值模拟,分析了风力机叶片截面压力分布、涡量以及塔筒表面压力随相位角的变化规律,探究了风轮仰角对风力机输出功率的... 详细信息

考虑风力机塔影效应的影响,针对风轮仰角导致风力机气动特性更为复杂的问题,文章对不同仰角水平轴风力机流场进行了数值模拟,分析了风力机叶片截面压力分布、涡量以及塔筒表面压力随相位角的变化规律,探究了风轮仰角对风力机输出功率的影响。结果表明:增大风轮仰角会降低叶片表面压力,减小叶尖部分压差,使得叶片表面高涡量区域减小;添加风轮仰角会使叶片对塔筒影响减小,塔筒表面高涡量区域随着风轮仰角的增大逐渐减小,降低塔筒表面压力波动。当叶片经过塔筒时,塔影效应对风力机影响较大,风力机输出功率降低;当叶片竖直向上时,风力机输出功率达到最大。为风力机添加仰角后,随着风轮仰角的增大,风力机的输出功率与输出功率波动均呈现先增大后减小的趋势;风力机输出功率在风轮仰角为3°时最大,输出功率波动在风轮仰角为6°时最小。

关键词：水平轴风力机塔影效应风轮仰角气动特性

基于动网格技术水平轴风力机叶片及尾迹流场旋涡特性

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排灌机械工程学报 2023年第2期41卷 172-178页

作者：高伟张立茹姚慧龙闫蓉内蒙古工业大学能源与动力工程学院内蒙古呼和浩特010051 风能太阳能利用技术教育部重点实验室(内蒙古工业大学) 内蒙古呼和浩特010051

为了研究风力机流场中涡的产生及演化过程,采用动网格技术中的重叠网格方法对水平轴风力机流场进行计算,利用Q准则对叶片表面、叶尖涡及中心涡涡旋结构进行可视化分析,并将计算结果与相同工况下滑移网格计算结果进行对比分析.结果表明:... 详细信息

为了研究风力机流场中涡的产生及演化过程,采用动网格技术中的重叠网格方法对水平轴风力机流场进行计算,利用Q准则对叶片表面、叶尖涡及中心涡涡旋结构进行可视化分析,并将计算结果与相同工况下滑移网格计算结果进行对比分析.结果表明:对比2种方法在不同截面的叶片表面涡量分布,动网格方法计算得出在吸力面流动分离区域更大,能够捕捉到更多叶片表面边界层分离的细节;叶尖涡在向下游运动过程中将出现“叶尖涡跳跃”现象;中心涡在尾迹流场中涡量分布呈双峰状,在风轮后0.5D~2.0D内,叶尖涡与中心涡发生混合扩散;动网格与滑移网格计算得出尾迹流场中,中心涡分布趋势基本一致,采用动网格方法得出涡量峰值更大,采用滑移网格方法得出中心涡更早发生扩散.相较于滑移网格方法采用动网格方法研究风力机流场中的涡会更具优势.

关键词：水平轴风力机动网格叶尖涡中心涡涡量

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

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太阳能学报 2022年第3期43卷 301-305页

作者：牛佳佳张立茹焦雪文汪建文内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 风能太阳能利用技术教育部重点实验室(内蒙古工业大学) 呼和浩特010051 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室呼和浩特010051

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不... 详细信息

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响。结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性增大;随风速和叶尖速比增大,叶片最大变形量对应呈增大和减小的趋势;随偏航角增大,叶根最大应力集中区域逐渐减小,叶片后缘应力逐渐减小。沿叶片展向,从叶根到叶尖,轴向速度逐渐增加,叶尖增大的程度较叶根大,随偏航角增大,叶尖位置的轴向速度增大的程度降低;涡量逐渐减小,随偏航角增大,对叶尖涡量影响较中心涡量大;湍动能总体呈先减小后增大的趋势,且当偏航角为5°~25°时在相对半径0.6R(R为风轮半径)位置处为最小,偏航30°在0.7R处为最小。

关键词：风力机偏航叶片变形流固耦合叶片绕流

大型兆瓦级风力机气弹耦合数值模型研发及应用

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中国电机工程学报 2023年第20期43卷 7948-7958页

作者：李治国宋超洋高志鹰张立茹汪建文内蒙古工业大学机械工程学院内蒙古自治区呼和浩特市010051 内蒙古工业大学能源与动力工程学院内蒙古自治区呼和浩特市010051

为探究大型兆瓦级风力机柔性叶片非线性气弹特性,揭示叶片大范围空间运动与气弹响应耦合机制,该文提出一种用于分析风力机气动性能、模态特征、气动阻尼及动态响应的实时双向气弹耦合研究方法。将叶素动量理论、混合梁理论、Lanczos模... 详细信息

为探究大型兆瓦级风力机柔性叶片非线性气弹特性,揭示叶片大范围空间运动与气弹响应耦合机制,该文提出一种用于分析风力机气动性能、模态特征、气动阻尼及动态响应的实时双向气弹耦合研究方法。将叶素动量理论、混合梁理论、Lanczos模态分析法及修正的Newmark-β位移迭代法有效结合,通过MATLAB编程实现柔性叶片气动载荷、弹性变形和空间运动之间的气弹耦合仿真。经与美国可再生能源实验室公开实验数据及Bladed软件计算结果对比分析,发现最大相对误差仅为-2.77%,证实本文气弹模型准确可靠。研究发现,气弹耦合对轴向和切向气动力影响显著,对气动阻尼的影响从叶根到叶尖逐渐增强。气弹耦合导致叶片气动载荷及动态响应降低的原因是平面外结构变形。该文数值模型相比风力机专用软件Bladed增加气动阻尼和气弹耦合模块,计算结果满足与Bladed软件计算结果偏差不大于5%的要求,对柔性叶片气弹稳定判定、风力机整机刚柔耦合动力学仿真的实现具有重要意义。

关键词：风力机柔性叶片气弹耦合数值模型气弹特性

不同材质风力机叶片绕流流场特征变化PIV实验研究

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太阳能学报 2023年第2期44卷 140-145页

作者：姚慧龙张立茹张嘉奇高伟汪建文内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 风能太阳能利用技术教育部重点实验室呼和浩特010051 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室呼和浩特010051

考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速(PIV)方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯(叶片Ⅰ)和玻璃聚醋内部填充泡沫(叶片Ⅱ)的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明:相比... 详细信息

考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速(PIV)方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯(叶片Ⅰ)和玻璃聚醋内部填充泡沫(叶片Ⅱ)的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明:相比于叶片Ⅰ,相同工况下,叶片Ⅱ的总体涡量、回流区的面积和时均速度更大,轴向雷诺应力更小;随着相对轴向距离的增加,时均速度在相对高度方向波动减小,材质对轴向雷诺应力影响逐渐减弱。实验工况下,叶片材质对绕流流场特征的影响大于叶尖速比对其的影响,并沿径向方向有增大的趋势。

关键词：风力机叶片材质绕流流场特征粒子图像测速

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风力机柔性叶片结构动态响应数值模型研究

工程热物理学报 2022年第9期43卷 2374-2381页

作者：李治国陈永艳高志鹰张立茹汪建文内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室呼和浩特010051

介于来流风速的不稳定性及大尺度水平轴风力机柔性叶片的非线性大变形,本研究建立一种快速计算叶片非定常载荷、模态特征参数及结构动态响应的数值模型。首先基于动态入流理论,建立综合附加质量力、气动力、离心力、重力的风轮时变等效... 详细信息

介于来流风速的不稳定性及大尺度水平轴风力机柔性叶片的非线性大变形,本研究建立一种快速计算叶片非定常载荷、模态特征参数及结构动态响应的数值模型。首先基于动态入流理论,建立综合附加质量力、气动力、离心力、重力的风轮时变等效载荷模型。然后运用加权余量法和Galerkin方法把叶片离散成包含叶片展向位移与横向剪切变形的混合梁单元,利用子空间迭代法求解叶片模态参数。最后运用Houbolt法解耦考虑气动阻尼、结构阻尼时变载荷作用下的动态响应方程。结果表明:叶尖挥舞位移随风速增加呈现先增大后减小的趋势且增幅明显,叶尖幅值波动始终沿着来流方向;叶尖摆振位移呈现相反变化趋势且增幅较小,变形位移时正时负呈周期性波动。叶片离心刚化效应对挥舞方向固有频率影响较大,摆振方向影响相对较小,影响程度均随着模态阶数的增加逐渐减小。本文部分计算结果与美国可再生能源实验室、汕头大学公开数据及Blade软件进行了对比,证实该模型是准确的。

关键词：柔性叶片非定常载荷模态分析结构动态响应数值模型

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俯仰角对水平轴风力机气动噪声影响研究

可再生能源 2023年第8期41卷 1038-1043页

作者：闫蓉张立茹邵世兵路瑶内蒙古工业大学能源与动力工程学院内蒙古呼和浩特010080 风能太阳能利用技术教育部重点实验室内蒙古呼和浩特010080

由于俯仰角的存在,水平轴风力机在运行时可避免叶片与塔筒的碰撞,但这也对风力机气动噪声的产生及传播带来影响。为探究不同俯仰角对风力机气动噪声的影响规律,文章采用大涡模拟(LES)结合声学方程(FW-H)对不同俯仰角下的风力机声场进行... 详细信息

由于俯仰角的存在,水平轴风力机在运行时可避免叶片与塔筒的碰撞,但这也对风力机气动噪声的产生及传播带来影响。为探究不同俯仰角对风力机气动噪声的影响规律,文章采用大涡模拟(LES)结合声学方程(FW-H)对不同俯仰角下的风力机声场进行数值模拟。模拟结果表明:随着俯仰角的增大,风轮输出功率先增大后减小,当风轮处在3°俯仰角时,风力机输出功率最大,能量有一个明显扩散,声压级整体有所上升,气动噪声上升幅度变大;存在俯仰角时,气动噪声沿轴向与展向的传播规律与未俯仰时相似,随着俯仰角的增加,最大声源位置从叶中向叶尖移动;A计权下风轮在3°俯仰角时声压级幅值增幅最小,因此3°俯仰角为最佳俯仰角。

关键词：水平轴风力机俯仰角气动噪声大涡模拟

风向变化下不同因素对叶根应力影响的实验研究

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工程热物理学报 2023年第9期44卷 2409-2415页

作者：赵煜汪建文张建伟闫思佳张鹏张立茹白叶飞内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学土木工程学院呼和浩特01005 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室呼和浩特010051

为研究风向变化过程中不同因素对风力机叶片根部应力的影响规律,本文使用风洞、动态旋转平台及旋转信号采集仪等对其进行了不同风向变化角速度、不同尖速比、不同应变方向、不同风速下的应力分布实验研究。结果表明:风向变化角速度越大... 详细信息

为研究风向变化过程中不同因素对风力机叶片根部应力的影响规律,本文使用风洞、动态旋转平台及旋转信号采集仪等对其进行了不同风向变化角速度、不同尖速比、不同应变方向、不同风速下的应力分布实验研究。结果表明:风向变化角速度越大,叶根处应力值下降越慢,应力值基本呈现由后缘向前缘增加的趋势,但叶根0.50c处应力值比前缘0.25c处应力值略大;风向变化过程中应力值随时间的变化规律呈现反S型下降趋势,随着尖速比增加,应变花三个方向应变值的绝对值均增加,且风向变化停止后,应力值达到稳定所需时间越长、稳定后的应力值越大。

关键词：风力机风向变化叶根应力分析实验研究

考虑附加质量力的小型风力机风轮数值模型研究

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工程热物理学报 2022年第4期43卷 967-973页

作者：李治国高志鹰陈永艳张立茹汪建文内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室呼和浩特010051

针对风力机动态环境变化时诱导速度滞后的特征,本文基于叶素动量理论、加速势流理论进一步修正平衡尾流模型,提取出一种新型的附加质量力表达式m_(A)=128/75ρR^(3),并建立考虑附加质量力的小型风力机风轮气动载荷数值模型。利用该模型... 详细信息

针对风力机动态环境变化时诱导速度滞后的特征,本文基于叶素动量理论、加速势流理论进一步修正平衡尾流模型,提取出一种新型的附加质量力表达式m_(A)=128/75ρR^(3),并建立考虑附加质量力的小型风力机风轮气动载荷数值模型。利用该模型计算拥有自主知识产权300 W S型风力机在三种定常风、湍流风作用下的风轮非定常动态气动载荷。经风洞实验及GH bladed验证,考虑附加质量力的数值模型能够更真实准确地反映风轮气动性能,风轮功率波动幅度小于不考虑附加质量力的平衡尾流模型计算值,计算结果更加准确。风轮轴向载荷、叶根挥舞弯矩与风轮轴功率,均表现出与湍流风速变化一致的随机特性;叶根摆振由于受到叶片自身重力交变载荷作用呈现出周期性脉动;风轮轴向推力系数、风轮轴功率系数表现与湍流风相反的变化趋势。本课题研发的动态气动数值模型具有较高的准确度,为快速获取小型水平轴风力机风轮气动载荷提供一种新思路。

关键词：附加质量力平衡尾流模型加速势流理论数值模型