水平軸風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析.pdf

1、對(duì)風(fēng)力機(jī)而言，精確的氣動(dòng)性能計(jì)算及其結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)特性也表現(xiàn)得更加突出。風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)現(xiàn)象主要有動(dòng)態(tài)入流、動(dòng)態(tài)失速及失速延遲等效應(yīng)，精確預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片在這些現(xiàn)象下的非定常時(shí)變載荷及其結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)葉片后續(xù)設(shè)計(jì)和分析具有重要的工程實(shí)際意義。
　　本文首先對(duì)風(fēng)力機(jī)在定常工況下的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，闡述了葉素-動(dòng)量理論及其各種修正方法，以具體風(fēng)力機(jī)實(shí)例給

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

3、計(jì)算的理論基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng)力機(jī)翼型工作時(shí)的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行了修正和擴(kuò)充，使得模型適用于全范圍攻角下的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力計(jì)算。然后編制了Matlab程序，仿真了多種翼型在不同工況下的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)數(shù)據(jù)并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，此外，對(duì)影響動(dòng)態(tài)失速性能的關(guān)鍵參數(shù)也進(jìn)行了仿真討論。
　　由于動(dòng)態(tài)失速對(duì)翼型運(yùn)行性能影響很大，近年來，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，用CFD來計(jì)算翼型動(dòng)態(tài)失速氣動(dòng)特性得到了廣泛應(yīng)用。本文在Beddoes-L

4、eishman半經(jīng)驗(yàn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)失速過程，得到了翼型升阻力系數(shù)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式下發(fā)生動(dòng)態(tài)失速的相同點(diǎn)和差別。
　　為了對(duì)葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，獲得其在非定常時(shí)變載荷作用下的動(dòng)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(jìn)行離散化建模，在計(jì)算出結(jié)構(gòu)所受外部時(shí)變載荷后進(jìn)行等效處理，建立了葉片結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，運(yùn)用Newmark法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。
　　最后以5.0MW水平軸風(fēng)力機(jī)為例，充分考慮動(dòng)態(tài)入流和動(dòng)態(tài)失速等非定常氣動(dòng)特性的影響，仿真了其在湍流風(fēng)場(chǎng)作用下的發(fā)電工況，獲得了葉片時(shí)變動(dòng)態(tài)載荷和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)處于湍流風(fēng)場(chǎng)作用下葉片會(huì)發(fā)生較大變形；動(dòng)態(tài)入流會(huì)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(dòng)態(tài)變化過程，比采