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Effects of the particle Stokes number on wind turbine airfoil erosion

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Applied Mathematics and Mechanics(English Edition) 2018年第5期39卷 639-652页

作者： Deshun li Zhenxi ZHAO yinran li Qing WANG Rennian li Ye li College of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou 730050China Gansu Provincial Technology Centre for Wind Turbines Lanzhou 730050China Gansu Provincial Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems Lanzhou 730050China State Key Laboratory of Ocean Engineering School of Naval ArchitectureOcean and CivilShanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China

Under natural conditions, wind turbines are inevitably eroded by the action of sand-wind flow. To further investigate the effects of dust drift on the erosion of the wind turbine blades in sand-wind environments~ the effects of the wind velocity, particle diameter, and particle density on the erosion of wind turbine airfoils are studied, and the effects of the particle Stokes number on the airfoil erosion are discussed. The results show that, when the angle of attack （AOA） is 6.1~, there will be no erosion on the airfoil surface if the particle Stokes number is lower than 0.013 5, whereas erosion will occur if the particle Stokes number is higher than 0.015 1. Therefore, there exists a critical range for the particle Stokes number. When the particle Stokes number is higher than the maximum value in the critical range, airfoil erosion will occur. The result is further confirmed by changing the particle diameter, particle density, and inflow speed. It is shown that the erosion area on the airfoil and the maximum erosion rate are almost equal under the same particle Stokes number and AOA. The extent of airfoil erosion increases when the particle Stokes number increases, and the critical particle Stokes number increases when the AOA increases. Moreover, the geometric shape of the airfoil pressure surface greatly affects the airfoil erosion, especially at the curvature near the leading edge.

关键词： wind turbine airfoil erosion Stokes number sand-wind environment

Numerical Simulation of Wind Turbine Wake Characteristics in Uniform Inflow

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2016年第1期33卷 45-52页

作者： li Rennian Ma Ruijie li Deshun li yinran Wang Chengze School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou 730050P.R.China Gansu Provincial Technology Centre for Wind Turbines Lanzhou 730050P.R.China Key Laboratory of Fluid machinery and Systems Lanzhou 730050P.R.China

Flow field around a two-bladed horizontal-axis wind turbine(HAWT)is simulated at various tip speed ratios to investigate its wake characteristics by analyzing the tip and root vortex trajectories in the nearwake,as well as the vertical profiles of the axial *** show that the pitch of the tip vortex varies inversely with the tip speed *** expansion of the tip vortices becomes more obvious as the tip speed ratio *** vortices shed not exactly from the blade tip but from the blade span of 96.5%—99%radius of the *** axial velocity profiles are transformed into V-shape from W-shape at the distance downstream of eight rotor diameters due to the momentum recovery.

关键词： horizontal-axis wind turbine(HAWT) wake characteristics tip speed ratio vortex trajectory

Critical Stokes Number for Gas-Solid Flow Erosion of Wind Turbine Airfoil

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Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2016年第1期33卷 67-72页

作者： li Deshun Gong Yuxiang li Rennian li yinran Ma Ruijie School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of TechnologyLanzhou 730050P.R.China Gansu Provincial Technology Centre for Wind Turbines Lanzhou 730050P.R.China Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems Lanzhou 730050P.R.China

Wind turbine blades are inevitable to be eroded in wind-sand environment,so it is crucial to identify the flow conditions under which the erosion ***,the effect of the sand diameter on wind turbine airfoil is first *** the sand diameter is less than 3μm,the sands will bypass the airfoil and no erosion *** the sand diameter is larger than 4μm,the sand grains collide with the airfoil and the erosion ***,there must be a critical sand diameter between 3μm and 4μm,at which the erosion is initiated on the airfoil *** find out this critical value,aparticle Stokes number is introduced *** to the range of the critical sand diameter mentioned above,the critical value of particle Stokes number is reasonably assumed to be between 0.007 8and *** assumption is subsequently validated by other four factors influecing the erosion,i.e.,the angle of attack,relative thickness of the airfoil,different series airfoil,and inflow ***,the critical range of Stokes number has been confirmed.

关键词： wind turbine airfoil erosion critical Stokes number gas-solid two-phase flow

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基于外场风力机翼型的非定常特性研究

太阳能学报 2016年第9期37卷 2187-2193页

作者：李银然李仁年李德顺王秀勇兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050

以测绘的外场真实叶片为研究对象,截取有代表性的叶尖和叶根翼型,对比研究其非定常特性。结果表明:运行在小攻角(2.93°)下的叶尖翼型,由于其表面相对较大的粗糙度和增大的尾缘厚度联合作用诱导出极其复杂的旋涡结构,使其升阻力系数呈... 详细信息

以测绘的外场真实叶片为研究对象,截取有代表性的叶尖和叶根翼型,对比研究其非定常特性。结果表明:运行在小攻角(2.93°)下的叶尖翼型,由于其表面相对较大的粗糙度和增大的尾缘厚度联合作用诱导出极其复杂的旋涡结构,使其升阻力系数呈现周期性变化规律、压力呈现复杂的动态分布形式;而叶根翼型由于其大功角(11.273°)运行和增大的尾缘厚度联合作用,导致气动力出现非定常变化,流场出现强烈的大尺度旋涡结构;说明同一叶片表面粗糙度不同、运行攻角及尾缘厚度不同,会在不同翼型断面诱导出不同的旋涡结构,导致叶片出现复杂的非定常气动特性。

关键词：真实叶片翼型非定常特性压力分布

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偏航工况下叶片翼型动态特性研究

太阳能学报 2022年第7期43卷 326-333页

作者：李银然赵丽李德顺马继武兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室兰州730050 甘肃省风力机工程技术研究中心兰州730050

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟(LES)方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明:风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规... 详细信息

首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟(LES)方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明:风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。

关键词：风力机叶片偏航翼型数值模拟迟滞效应

计算模型维数对风力机翼型气动性能预测的影响

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农业机械学报 2011年第2期42卷 115-119页

作者：李银然李仁年王秀勇李德顺兰州理工大学风能技术研究中心兰州730050

为了研究二维与三维计算对风力机翼型气动性能预测的影响,采用数值求解N-S方程的方法,对DU93-W-210二维翼型和三维直叶片进行了数值模拟,并将气动性能的计算结果与实验值进行比较。结果表明:当翼型表面气流未发生分离时,二维翼型与三维... 详细信息

为了研究二维与三维计算对风力机翼型气动性能预测的影响,采用数值求解N-S方程的方法,对DU93-W-210二维翼型和三维直叶片进行了数值模拟,并将气动性能的计算结果与实验值进行比较。结果表明:当翼型表面气流未发生分离时,二维翼型与三维直叶片周围的流场结构相同,二者之间的气动性能无明显差异,三维直叶片可被简化为二维翼型;当气流分离时,三维直叶片周围的流场结构具有明显的三维流动效果,气动性能更接近实验值,三维直叶片不能简化为二维翼型,而且三维直叶片的展向长度不宜过小,取2～4倍弦长为最佳。

关键词：风力机翼型气动性能维数计算流体动力学

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气固两相对翼型层流分离及转捩的影响研究

太阳能学报 2019年第9期40卷 2418-2423页

作者：李银然郭兴铎李德顺赵煜胡哲哲兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心兰州730050 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室兰州730050

为了研究气固两相对翼型表面层流分离及转捩的影响,首先基于Transition SST模型,对平板和S809翼型的转捩特性进行数值模拟,并将模拟结果与实验值进行对比分析,验证Transition SST模型模拟边界层转捩的优越性。然后在清洁空气和含不同粒... 详细信息

为了研究气固两相对翼型表面层流分离及转捩的影响,首先基于Transition SST模型,对平板和S809翼型的转捩特性进行数值模拟,并将模拟结果与实验值进行对比分析,验证Transition SST模型模拟边界层转捩的优越性。然后在清洁空气和含不同粒径颗粒的气固两相流中,对风力机专用翼型DU93-W-212进行数值模拟,对比分析间歇因子和摩阻系数,结果表明:当颗粒直径小于150μm时,颗粒的加入使得翼型边界层层流分离和转捩均提前发生,且颗粒直径越小,提前位置越多;当颗粒直径大于等于150μm时,层流分离和转捩的位置几乎与清洁空气下一致。

关键词：翼型两相流层流流动转捩流动摩阻系数间歇因子

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基于相似理论的风力机气动特性分析

太阳能学报 2015年第12期36卷 2916-2921页

作者：李仁年刘姝君李德顺李银然刘鑫兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 甘肃省风力机工程技术研究中心兰州730050

以某33 k W风力机为研究对象,分别以雷诺模型法和运动相似关系建立缩比模型,进行三维定常数值计算,分析相似工况点上叶片表面流动情况和气动性能参数。结果表明,采用雷诺模型法,风力机缩比模型的叶片表面流动情况及叶片展向截面压力系... 详细信息

以某33 k W风力机为研究对象,分别以雷诺模型法和运动相似关系建立缩比模型,进行三维定常数值计算,分析相似工况点上叶片表面流动情况和气动性能参数。结果表明,采用雷诺模型法,风力机缩比模型的叶片表面流动情况及叶片展向截面压力系数均与原型相似,力特性参数换算结果的相对误差均在2%以内。采用雷诺模型法可节省仿真时间和计算资源,有效估算原型风力机气动特性。

关键词：风力机运动相似雷诺模型法数值计算气动特性

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基于非结构动网格的风力机翼型失速特性研究

太阳能学报 2014年第11期35卷 2264-2270页

作者：袁尚科李仁年赵子琴李德顺李银然兰州理工大学能源与动力工程学院兰州730050 兰州工业学院土木工程学院兰州730050

根据翼型俯仰运动规律,采用非结构动网格技术和不同的湍流模型对风力机的动态失速特性进行计算,其结果表明,动网格技术能有效计算振荡翼型的气动特性,较好地捕捉出风力机翼型在动态失速过程中涡的产生、脱落及湮灭过程;并得出SST k-ω... 详细信息

根据翼型俯仰运动规律,采用非结构动网格技术和不同的湍流模型对风力机的动态失速特性进行计算,其结果表明,动网格技术能有效计算振荡翼型的气动特性,较好地捕捉出风力机翼型在动态失速过程中涡的产生、脱落及湮灭过程;并得出SST k-ω湍流模型在运动翼型气动性能的计算方面有较高精度。

关键词：风力机动网格数值计算动态失速