水平軸風(fēng)力機非定常氣動特性與結(jié)構(gòu)動態(tài)分析.pdf

1、對風(fēng)力機而言，精確的氣動性能計算及其結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析是風(fēng)力機設(shè)計和校核的關(guān)鍵，隨著葉片朝大型和柔性化的方向發(fā)展，其非定常氣動特性也表現(xiàn)得更加突出。風(fēng)力機非定常氣動現(xiàn)象主要有動態(tài)入流、動態(tài)失速及失速延遲等效應(yīng)，精確預(yù)測風(fēng)力機葉片在這些現(xiàn)象下的非定常時變載荷及其結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，對葉片后續(xù)設(shè)計和分析具有重要的工程實際意義。
　　本文首先對風(fēng)力機在定常工況下的空氣動力學(xué)特性進行了分析，闡述了葉素-動量理論及其各種修正方法，以具體風(fēng)力機實例給

2、出了葉片在穩(wěn)態(tài)風(fēng)下的典型氣動特性與載荷分布情況；然后在穩(wěn)態(tài)氣動計算模型的基礎(chǔ)上考慮了動態(tài)入流這一重要非定常氣動現(xiàn)象，計算了風(fēng)力機的氣動載荷并與基于平衡尾流的穩(wěn)態(tài)氣動計算結(jié)果進行了對比，指出了動態(tài)入流對風(fēng)力機載荷的影響。
　　風(fēng)力機非定常氣動的另一個重要現(xiàn)象就是動態(tài)失速，為獲得翼型在非定?？諝鈩恿Νh(huán)境中運行的動態(tài)氣動特性，文章基于Beddoes-Leishman動態(tài)失速模型，從附著流、分離流和動態(tài)渦三個方面闡述了動態(tài)失速氣動特性數(shù)值

3、計算的理論基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng)力機翼型工作時的實際特點進行了修正和擴充，使得模型適用于全范圍攻角下的動態(tài)氣動力計算。然后編制了Matlab程序，仿真了多種翼型在不同工況下的動態(tài)氣動數(shù)據(jù)并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，此外，對影響動態(tài)失速性能的關(guān)鍵參數(shù)也進行了仿真討論。
　　由于動態(tài)失速對翼型運行性能影響很大，近年來，隨著計算機和計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，用CFD來計算翼型動態(tài)失速氣動特性得到了廣泛應(yīng)用。本文在Beddoes-L

4、eishman半經(jīng)驗動態(tài)失速模型的基礎(chǔ)上又采用S-A、SSTk-ω、RSM三種湍流模型通過CFD方法仿真了翼型在俯仰、垂直及俯仰水平耦合運動下的動態(tài)失速過程，得到了翼型升阻力系數(shù)和流場結(jié)構(gòu)，并詳細分析了動態(tài)失速過程中翼型表面壓力分布變化及分離渦的形成、發(fā)展和脫落的過程，指出了各運動形式下發(fā)生動態(tài)失速的相同點和差別。
　　為了對葉片進行結(jié)構(gòu)動力分析，獲得其在非定常時變載荷作用下的動力響應(yīng)，把葉片簡化成變截面懸臂梁，利用Euler-B

5、ernoulli梁單元進行離散化建模，在計算出結(jié)構(gòu)所受外部時變載荷后進行等效處理，建立了葉片結(jié)構(gòu)動力學(xué)運動方程，運用Newmark法對運動方程進行動力響應(yīng)計算。
　　最后以5.0MW水平軸風(fēng)力機為例，充分考慮動態(tài)入流和動態(tài)失速等非定常氣動特性的影響，仿真了其在湍流風(fēng)場作用下的發(fā)電工況，獲得了葉片時變動態(tài)載荷和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)處于湍流風(fēng)場作用下葉片會發(fā)生較大變形；動態(tài)入流會使結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生一定延遲但較好的反應(yīng)了載荷動態(tài)變化過程，比采