偏航条件下大型风机的流固耦合分析

流固耦合条件下叶片变形和振动的分析对于大型叶片的安全至关重要。基于叶素动量理论和Euler-Bernoulli梁的有限元建立大型风机双向流固耦合数值模型,用偏航修正、叶尖轮毂的非定常叶素动量理论计算风力机的气动载荷;通过2结点12自由度空间梁单元作为结构动力分析的基本模型,结合两套理论建立可以快速分析风力机叶片流固耦合作用下的输出特性和振动特性。通过对NREL 5 MW大型风力机计算的对比和分析,验证了方法的可行性并得到在流固耦合作用下风力机输出特性曲线和叶片结构变形。证明在风力机叶轮工作状态叶片发生振动,而且在偏航情况下,叶轮的功率输出和推力输出产生周期性波动。     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

漂浮式海上风电机组动力学仿真分析

通过计算机仿真技术,分析深海漂浮式风力发电机组的动力学特性.首先分别建立海上浮式平台的水动力学模型和基于动态入流理论的风轮空气动力学数值模型,然后将其施加到由“风轮-机舱-塔筒-系泊系统”组成的多柔体系统动力学模型上,并由Fortran语言编程计算,将分析模型和结果导入到ADAMS进行可视化及后处理,最后,以美国NREL基本型5MW风电机组数据为基础,对漂浮式风力机系统和近海的定桩式风力机系统进行动力学分析对比,研究结果表明:漂浮式海上风电机组在运行过程中,其浮式平台承受水动力而产生摇荡运动,气动载荷与水动力相互耦合对整机结构动力响应及功率波动有着明显影响.     

考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算

研究了固定式海上风机的流固耦合问题.选取美国可再生能源实验室(NREL)建立的5 MW海上单桩式风机模型,采用Kaimal谱和风剪切指数理论模型,通过NREL编写的程序—TurbSim,生成脉动风场,进而使用气弹程序FAST计算风力机的气动荷载,输出包括剪力和弯矩在内的塔顶荷载时程.选取Pierson-Moskowits波浪谱,并利用谐波叠加法模拟随机波浪.采用Morison公式计算波浪力,分别建立了海上风机塔架考虑与不考虑流固耦合效应时的动力方程及数值模拟方法,并对比分析了这两种情况下的波浪力和结构响应的差异.结果表明,两种情况下计算得到的波浪力和风机响应有明显差异,并且这种差别跟风浪大小等因素有关.     

变耦合区域风力机叶片弯扭耦合效应研究

弯扭耦合风力机叶片可以有效降低叶片极限载荷,但会增加叶片发生气弹不稳定的风险,耦合区域对叶片弯扭耦合性能有重要影响。本文基于节点位移给出了弯扭耦合系数及等效弯扭耦合系数的定义,该定义将弯扭耦合系数视为叶片整体属性,可以考虑耦合区域对叶片弯扭耦合特性的影响。以NREL 5MW风力机叶片作为基准模型,设计了变耦合区域弯扭耦合叶片,研究耦合区域、铺层角度和叶片材料对弯扭耦合叶片的变形及其等效弯扭耦合系数的影响。数值计算结果表明,全区域碳纤维叶片弯扭耦合效应最显著,而全区域玻璃纤维-碳纤维混合铺层叶片也可以获得较显著的弯扭耦合效应。     

基于节点位移法的变耦合区域风力机叶片弯扭耦合效应分析

弯扭耦合风力机叶片可以有效降低叶片极限载荷,但会增加叶片发生气弹不稳定的风险,耦合区域对叶片弯扭耦合性能有重要影响。基于节点位移给出了弯扭耦合系数及等效弯扭耦合系数的定义,将弯扭耦合系数视为叶片整体属性,可以考虑耦合区域对叶片弯扭耦合特性的影响。以NREL 5 MW风力机叶片作为基准模型,设计了变耦合区域弯扭耦合叶片,研究耦合区域、铺层角度和叶片材料对弯扭耦合叶片的变形及其等效弯扭耦合系数的影响。数值计算结果表明,全区域碳纤维叶片弯扭耦合效应最显著;而全区域玻璃纤维-碳纤维混合铺层叶片也可以获得较显著的弯扭耦合效应。     

风力机叶片气动噪声时域分析方法研究

风力机叶片气动噪声影响周边居民生活的问题开始引起研究人员的关注。现有研究大多基于CFD软件或实验数据拟合方法对其气动噪声进行分析,难以适应气动噪声随风速变化的动态分析需求。考虑风力机运行状态、来流风速以及接收点位置的影响,基于传统气动声学理论,建立了风力机叶片气动噪声计算的修正模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,运用时域分析方法,对一种2 MW风力机叶片的气动噪声进行了编程计算,并绘制了风力机叶片气动噪声的声压时间序列图,为开发低噪声风力机叶片提供了理论依据。     

叶片气弹耦合建模与分岔分析

颤振是指弹性结构体系外部扰流的流线体诱发的自激振动。本文建立了单叶片系统的气弹耦合状态空间方程;对状态方程进行了数值分析,采用中心流形和规范型相结合的非线性分析方法对气弹耦合模型进行了稳定性分析,计算得出了霍普夫分岔的类型。     

杭州湾跨海大桥风荷载响应

对杭州湾大桥进行了全桥气弹模型风洞试验,实测了不同风攻角、偏角和施工阶段的静风和抖振位移响应,同时布设动态应变片,直接测量了桥塔根部的风载内力.探讨了斜拉桥静风响应和非线性抖振时域分析的计算方法,计算结果与风洞试验值进行了对比,吻合情况较好.分析结果表明:斜拉索的风荷载计算模式对静风响应有较大影响;气动导纳采用Sears函数,可能会得到偏危险的结果;塔根抖振内力基本上随着风偏角的增大而减小,但主梁跨中抖振位移响应不符合这一规律;最大双悬臂状态为抗风最不利状态,施工时务必采取抗风措施.     

叶片旋转方向对NREL Phase Ⅵ风力机功率特性的影响分析

风力机叶片旋转方向影响风力机流场特性,并改变风力机之间的气动干扰,从而影响风力机功率特性。为掌握风力机叶片旋转方向对风力机功率特性的影响规律,基于CATIA软件建立NREL PhaseⅥ风力机模型,并基于三维计算流体力学(CFD)软件(Fluent)建立风力机气动特性分析模型。通过计算各风速下的风力机叶片表面压力分布和功率特性,并与美国国家能源部可再生能源实验室的NREL PhaseⅥ风洞实验数据对比,验证本文风力机分析模型准确性。随后,计算分析2台相同叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。分析表明,在不同风力机间距下,上游风力机输出功率基本保持不变,而下游风力机输出功率随风力机间距增大而增大;当两风力机间距为12倍直径时,下游风力机输出功率恢复至正常水平的92.1%。最后,计算分析2台相反叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。相比于相同的叶片旋转方向,叶片旋转反向将增加下游风力机输出功率,且功率增幅随着间距增大而逐渐减小;风力机间距为4倍直径时,功率增幅达到最大值,约为4.4%。     

大型风电长叶片气动外形的高效低载三维设计

海上风力机等大型风电设备叶片较长，所承受气动载荷较大，易产生变形，影响气动性能和运行稳定性。针对这一问题，以美国NREL实验室的5 MW大型风电叶片为例，对其进行以各截面翼型形线、安装角及额定功率下桨距角为设计变量的高效低载三维优化。优化基于动量叶素理论和多岛遗传算法，以叶根弯矩最低和风能利用率最大为优化目标，并将优化叶片与原始叶片于变桨、变风况下的气动性能进行对比。结果表明：在设计工况下，相较于原始叶片，优化叶片在保证高气动效率的同时叶根弯矩降低了5%；变风况条件下，变桨前优化叶片的风能利用率平均提升了1%，叶根弯矩平均降低了5.8%，变桨后优化叶片的叶根弯矩平均降低了4%。     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

高层建筑气动弹性模型风洞试验研究

以高层建筑为研究背景,制作了气动弹性模型,通过风洞试验测得结构的时程响应结果,采用频谱分析求得结构的动力特性,采用自然激励技术法(NExT)和ARMA模型时序法以及改变模态阶数的方法获得结构的气动阻尼比,研究了结构气动阻尼比随风速的变化规律.在强风下,对顺风向的加速度响应时程结合滤波方法,消除横风向能量转移的影响,同时发现了涡激共振现象.考虑气动阻尼影响的情况下,刚体模型测压和测力得到的峰值加速度响应结果,与气动弹性模型风洞试验结果十分接近,验证气动弹性模型风洞试验结果的正确性.对于刚体模型,不考虑气动阻尼时,峰值加速度比气动弹性模型试验结果大很多,差值最大达到41%,但在某种工况下,气动阻尼的影响使结构的响应值增大,验证了考虑气动耦合作用在高层抗风研究中的必要性.     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。