基于模型试验的风力机基底应力分布特征及平面度修正

为有效掌握风荷载作用下风力发电机地基的复杂应力分布,提出关于基底应力平面分布假定的修正方法。以相似法则为理论基础,建立山区风力发电机地基缩尺物理模型试验系统,模拟不同平均风速和脉动风时间步长时的水平风荷载,测试不同风荷载下的基底静压力和动压力,研究应力的分布模式、变化规律,提出基底应力的平面度修正方法。研究结果表明：风速越大,基底静压力越大;而当风速一定时,基底各点的压力差异随着时间步长增加而加大,因此,低频脉动风更容易威胁地基稳定性;在不同工况下,动压力仅为静压力的1/20～1/12,故可采用拟静力法对风力机基底应力进行计算;若按常用的建筑规范基底应力计算方法,会低估基底应力差异,结果偏于不安全,而进行平面度修正后,应力修正值与实测值更加接近,这证明了利用平面度修正的合理性,也意味着基础设计埋深可更大,这为山区风力机的地基基础安全设计提供了新思路。     

垂直轴风力机翼型单音噪声和流场特性研究

采用大涡模拟和Ffocws-Williams and Hawkings (FW-H)数值模型预测方法,在雷诺数为1.6×10~5条件下研究常用和专用垂直轴风力机翼型的单音噪声特性和流场特征.结果表明:翼型单音噪声特征与压力面尾缘处的压力波动关系密切,压力波动频率越大,单音噪声特征越明显;在相同条件下,对称翼型表面压力功率谱密度要高于非对称翼型的功率谱密度,噪声声压级也相对较大;翼型最大相对厚度对压力波动功率谱密度有重要影响,相对厚度越大,表面压力功率谱密度越低,翼型越薄单音噪声特征越明显;翼型最大相对弯度影响单音噪声对应的频率位置,最大相对弯度的位置越靠近尾缘,单音噪声对应的主频率越低.     

基于柔性传动链的风力机功率控制

针对风力机变桨系统特性,研究功率控制策略。首先分析风力机能量转换理论,确定影响功率输出的重要因素;再建立变桨系统闭环传递函数模型;以低速轴和高速轴为纽带,考虑柔性,建立柔性传动链系统模型。由于作用在风轮上的风速难于准确实时测量,以最小二乘支持向量机方法对风速进行预测,然后采用变论域模糊方法实现变桨过程中的功率控制,提高系统的自适应能力。仿真验证了所提方法的适用性和有效性。     

基于BESO算法的大型海洋垂直轴风力机支撑结构优化

大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义，研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法，对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化，并通过风力机的动力响应特性分析，验证结构优化方法的可靠性.结果表明：反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率，适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计；相比于初始结构，拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.     

C型叶片垂直轴风力机功率系数及其安装角优化分析

叶片构造形式是影响垂直轴风力机气动特性的重要因素.针对垂直轴风力机功率系数较低的问题,提出了一种新型的C型叶片.基于计算流体力学(CFD)高精度模拟工具,从扭矩系数、切向力系数、法向力系数、推力系数和升阻力系数等方面分析了风力机实度和叶尖速比保持不变时,C型叶片和初始安装角对垂直轴风力机的影响.结果表明:当突出度为15 mm时,功率系数CP取最大值,约为16.45％;正安装角有利于减小风力机推力幅值并延长风力机使用寿命;合适的安装角可减小阻力系数,获得更佳的气动特性.     

固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究

在传统的海上风力机模型试验中，湍流风载荷在实验室中复现困难，实验室场地的空间限制无法进行大型海上风力机模型试验，上部风力机与下部平台存在的缩尺矛盾也无法深入研究海上风力机全耦合作用机理.随着计算能力的提升、数值积分算法以及控制等关键问题研究取得突破，上述矛盾可由实时混合试验方法解决.本文以美国国家可再生能源实验室（NREL）5 MW固定式海上风力机为研究对象，按照1∶90进行缩尺，制作物理子结构模型，开发AeroDyn程序作为数值子结构，添加UDP/IP通信机制作为数据采集与传输方式，以推杆式作动器为加载装置，搭建了完整的实时混合试验系统，进行无海浪工况下的固定式海上风力机实时混合模型试验.将试验结果与FAST软件结果进行对比分析，结果吻合良好，说明了实时混合模型试验方法的可行性.研究结果为海上风力机实时混合模型试验技术的进一步发展提供了参考，为海上风力机结构设计与安全运行提供技术支撑.     

基于光流法和无人机的大型风力机结构动力特性测试

针对大型风力机结构以人工检测为主费时耗力且危险的劣势，提出一种基于光流法和无人机的大型风力机结构动力特性识别方法.首先研究无人机空间悬停振动规律，提出基于背景不动点结合自适应比例因子的无人机镜头空间位移补偿方法；其次，使用无人机拍摄风力机结构在摆振与挥舞方向的振动视频，采用光流法对监测点进行视觉跟踪得到其位移响应，并与传统监测方法进行时域与频域信息的对比分析；最后，结合分段监测方法识别风力机结构全局模态振型，并通过振动台试验进行验证.结果表明，背景不动点结合自适应比例因子的位移补偿方法有效地解决了无人机悬停过程中由于振动引起的空间位移漂移影响.结合分段监测方法，利用无人机搭载计算机视觉监测系统可以很好地识别大型风力机结构的模态振型，实现了远距离、非接触、低成本的结构健康监测，可为风力机等大型结构状态评估提供依据.     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大；整机结构附近有明显的气流扰动变化；停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大；入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

风力机叶片表面覆冰影响因素分析

我国低温高海拔地区的风能资源十分丰富，风力机在该环境下运行时会产生叶片表面覆冰现象，不仅降低风力机的发电效率，严重时会影响结构安全性能.采用Fluent与FENSAP-ICE相结合的方法对风力机叶片表面覆冰问题进行数值模拟分析，明确环境温度、来流速度、水滴等主要环境因素影响下叶片表面覆冰发展规律.结果表明，环境温度从-5℃降低到-20℃的过程中，覆冰质量随温度的降低呈线性增长，增长幅度约为0.74 kg/℃;当温度继续降低时，覆冰质量增长幅度降低为0.228 kg/℃.来流速度、空气中水含量(LWC)与水滴直径(MVD)的增加均使覆冰质量呈线性提高，覆冰质量增长幅度分别约为0.236 kg·s/m、8.529 kg·m³/g、0.512 kg/μm.降低环境温度、增大来流速度和LWC会增加叶片覆冰面积，但增大MVD会使覆冰面积减小.