Numerical Analysis of Turbulent Inflow Characteristics on Aerodynamic Loads of HAWT Rotor

HAWT转子气动载荷湍流流入特性数值分析

基本信息

  • 批准号:
    13650177
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.24万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
  • 财政年份:
    2001
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2001 至 2002
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project is aimed at the development of numerical methods to simulate a turbulent wind field and to predict its influence on aerodynamic loads experienced by a HAWT rotor.The turbulent wind field simulation generates time series of turbulent wind speed at several points in a rotor plane for use in the aerodynamic loads analysis, taking account of the correlation of the wind time series at a certain point with that at every other point. The wind field simulation model is constructed on the basis of a Fourier synthesis method (the Veer's model). In this model, the required inputs are the power spectrum densities (PSDs) and the coherence functions of the turbulent wind, which define the cross spectral densities (CSDs) between any two points in the rotor plane. The vector of complex Fourier coefficients of the simulated wind can be determined by adding random phases to the set of PSDs and CSDs. By performing an inverse Fourier transform of the vector, the time series of the wind is obtained.For the calculation of aerodynamic loads on the rotor blades, an inviscid aerodynamic model based on an asymptotic acceleration potential method is adopted. This calculation model can easily evaluate the effects of the flow unsteadiness in the rotor plane induced by the wake. Unsteady aerodynamic loads caused by the dynamic stall effects are taken into account by using the ONERA method.It is analyzed how the aerodynamic loads on the rotor (ex.flapping moment) respond to turbulence characteristics of the wind incoming to the rotor. Turbulence characteristics of the wind incoming to a turbine rotor bring about complicated aerodynamic loads on the wind turbine, which must be considered in the structural design process of the rotor blades. The present calculation model has a possibility to develop a simple design tool.
本项目的目的是开发数值方法来模拟湍流风场并预测其对HAWT转子所承受的气动载荷的影响。湍流风场模拟生成转子平面内几个点的湍流风速时间序列,用于气动载荷分析,同时考虑到某点的风速时间序列与其他点的风速时间序列的相关性。风场模拟模型是基于傅立叶合成方法(Veer模型)构建的。在该模型中,所需的输入是湍流风的功率谱密度(PSD)和相干函数,其定义了转子平面中任意两点之间的交叉谱密度(CSD)。模拟风的复傅立叶系数的矢量可以通过向PSD和CSD的集合添加随机相位来确定。通过对矢量进行傅立叶逆变换,得到风场的时间序列,采用基于渐近加速度势法的无粘气动力模型计算旋翼叶片上的气动载荷。该计算模型可以很容易地评估尾迹引起的旋翼平面内流动非定常性的影响。采用ONERA方法,考虑了动态失速效应引起的非定常气动载荷,分析了作用在旋翼上的气动载荷(如挥舞力矩)对来流紊流特性的响应。风力机涡轮机转子风的湍流特性给风力机涡轮机带来了复杂的气动载荷,在叶轮叶片的结构设计过程中必须考虑这些气动载荷。目前的计算模型有可能开发出简单的设计工具。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Y.HASEGAWA, 他2名: "Numerical Study on Effects of Turbulent Characteristics on Aerodynamic Behavior of HAWT Rotor"Proc. of 2001 European Wind Energy Conference (2001, Denmark). PG2・44. 1-4 (2001)
Y.HASEGAWA 等 2 人:“湍流特性对 HAWT 转子空气动力学行为的影响的数值研究”Proc. 2001 年欧洲风能会议(2001 年,丹麦) 1-4(2001 年)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
長谷川 豊他3名: "水平軸風車ロータ空力特性に及ぼす流入風乱れ特性の影響"風力エネルギー. 25-4. 73-76 (2001)
Yutaka Hasekawa 等人 3:“入流风湍流特性对水平轴风力涡轮机转子空气动力学特性的影响”25-4 (2001)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
長谷川 豊: "水平軸風車ロータに及ぼすウィンドシアの影響に関する数値解析"日本機械学会論文集. 68-674B. 2795-2802 (2002)
Yutaka Hasekawa:“风切变对水平轴风力涡轮机转子影响的数值分析”,日本机械工程师学会会刊 68-674B 2795-2802 (2002)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
長谷川 豊: "乱れを伴う流入風による水平軸風車ロータの空力負荷変動"日本機械学会論文集. 69-681B(掲載予定). (2003)
Yutaka Hasekawa:“由于湍流流入风导致的水平轴风力涡轮机转子的空气动力载荷变化”,日本机械工程师学会会刊 69-681B(即将出版)。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Y.Hasegawa, et al.: "Unsteady Inflow Effects on a HAWT Aerodynamic Load Fluctuation on HAWT Rotor due to Turbulent Inflow Condition (in Japanese)"Transactions of JSME. 68-681B (in Press). (2003)
Y.Hasekawa 等人:“不稳定流入对 HAWT 气动载荷波动的影响,由于湍流流入条件而对 HAWT 转子产生影响(日语)”JSME 汇刊。
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