大型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性計(jì)算方法研究.pdf

1、現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)通常由機(jī)艙、輪轂、傳動(dòng)系統(tǒng)、葉片和塔架等組成，形成較為復(fù)雜的整機(jī)多體系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機(jī)大型化的發(fā)展，葉片柔性越來越大，且細(xì)長型梁式結(jié)構(gòu)的塔架固有頻率低。因而在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中，葉片繞低速軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)容易與彈性塔架、剛性機(jī)艙等耦合振動(dòng)，產(chǎn)生較為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)。另一方面大型風(fēng)力機(jī)通常運(yùn)行在復(fù)雜的自然環(huán)境中，偏航、湍流風(fēng)等非定常效應(yīng)使得葉片載荷呈現(xiàn)出非定常特點(diǎn)。因而彈性葉片還容易與非定常氣動(dòng)力耦合，產(chǎn)生氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合的氣動(dòng)彈性

2、效應(yīng)。正確考慮大型風(fēng)力機(jī)各部件之間的動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)以及柔性葉片與非定常氣動(dòng)力的氣動(dòng)彈性耦合效應(yīng)是其安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。而解決該問題的首要前提是精確模擬風(fēng)力機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為和準(zhǔn)確計(jì)算葉片非定常氣動(dòng)力。本文采用多體動(dòng)力學(xué)方法精確的計(jì)算風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)行為，在自由渦尾跡方法快速計(jì)算定常/非定常氣動(dòng)力基礎(chǔ)上開展更加精確的CFD方法計(jì)算研究。耦合渦尾跡方法和多體動(dòng)力學(xué)方法，建立大型風(fēng)力機(jī)整機(jī)氣動(dòng)彈性快速計(jì)算平臺(tái)；耦合CFD方法和多體動(dòng)力學(xué)

3、方法，建立了更加準(zhǔn)確的整機(jī)氣動(dòng)彈性計(jì)算平臺(tái)。在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)整機(jī)氣動(dòng)彈性快速計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更加細(xì)致、精確的計(jì)算研究。
　　在風(fēng)力機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模擬方面，采用復(fù)合材料層合板模型模擬風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)分布，薄板模型模擬塔架結(jié)構(gòu)。殼單元進(jìn)行葉片、塔架的有限元離散，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)艙、輪轂發(fā)生的彈性變形較小，將其簡化為剛體。上述各個(gè)部件不是獨(dú)立運(yùn)行的，而是通過不同類型的約束相互連接形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。建立固支鉸和驅(qū)動(dòng)鉸模型，采用固支鉸在塔

4、底處連接風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)和塔架，在塔頂處連接塔架與機(jī)艙。輪轂中心處采用驅(qū)動(dòng)鉸連接機(jī)艙與風(fēng)輪以模擬風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。笛卡爾坐標(biāo)描述機(jī)艙、輪轂等的剛體運(yùn)動(dòng)，混合坐標(biāo)系方法描述葉片、塔架等的彈性體運(yùn)動(dòng)和變形，其中彈性變形采用振型迭加法計(jì)算。通過第一類Lagrange方程推導(dǎo)出考慮氣動(dòng)彈性的剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的微分-代數(shù)方程組，其中約束方程為鉸的點(diǎn)和矢量方程。采用Taylor展開進(jìn)行預(yù)估結(jié)合BDF(Backward Differential Fo

5、rmula)方法校正得到非線性方程組，繼而采用Broyden算法求解，從而建立剛?cè)峄旌隙囿w動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)求解算法。
　　建立考慮結(jié)構(gòu)影響的自由渦尾跡方法以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的快速計(jì)算。將葉片簡化為一根升力線，其中渦線布置于四分之一弦線。螺旋狀的尾跡渦由葉片拖出，在隨著葉片旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也跟隨流場向下游發(fā)展。采用直線渦元模擬風(fēng)力機(jī)尾跡區(qū)的曲線渦線，粘性渦核模型以模擬渦核內(nèi)部的速度分布，并由Biot-Savart定律計(jì)算渦元的誘導(dǎo)速度。采用L

6、eishman-Beddoes動(dòng)態(tài)失速模型修正振蕩翼型的非定常氣動(dòng)特性；三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)修正旋轉(zhuǎn)葉片對(duì)氣動(dòng)力的影響。采用時(shí)間推進(jìn)法求解風(fēng)力機(jī)尾跡形狀和氣動(dòng)性能。大柔性葉片在發(fā)生較大變形時(shí)也對(duì)尾跡形狀和氣動(dòng)特性產(chǎn)生較大影響，通過插值方法將結(jié)構(gòu)變形和振動(dòng)速度反饋到風(fēng)力機(jī)尾跡形狀以及氣動(dòng)力計(jì)算中，從而建立考慮結(jié)構(gòu)影響的自由渦尾跡計(jì)算方法。
　　采用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行的風(fēng)力機(jī)非定常流場的數(shù)值模擬。有限體積法求解可壓縮的非定常N-S方程，湍流

7、模型采用S-A模型。并結(jié)合中心格式、Runge-Kutta方法進(jìn)行空間離散和顯式時(shí)間推進(jìn)。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在風(fēng)速較低的流場中，采用低速預(yù)處理修正數(shù)值不穩(wěn)定性，結(jié)合并行計(jì)算提高效率?；趶椥跃W(wǎng)格變形技術(shù)發(fā)展出風(fēng)力機(jī)剛-彈混合動(dòng)網(wǎng)格方法，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中葉片剛性旋轉(zhuǎn)、彈性變形，以及彈性塔架引起的剛體位移等動(dòng)網(wǎng)格過程。通過 Phase VI和NH1500葉片對(duì)上述氣動(dòng)力計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　耦合多體動(dòng)力學(xué)方法和氣動(dòng)力計(jì)算方法，通過插值實(shí)現(xiàn)