台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明：建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×106量级,基底弯矩最大达5.2×108量级。     

考虑材料非线性的RC冷却塔风致动力破坏研究

为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载，采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒，分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构，在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上，进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA)，结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述，并与静风破坏过程进行了对比。结果表明：静风荷载下，塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致，但前者所得结构极限荷载略高，结构延性更好；静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应；脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服，但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降：动力风荷载作用下塔筒破坏(V0=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%，明显高于静风作用下的结果。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

弯曲输流管道流固耦合动力特性分析

管道中流体和弹性体之间的相互作用是引起管道振动的主要原因,这种流固耦合作用对管道动力特性有直接影响。以流固耦合理论为基础,对脉动压力作用下的弯曲输流管道建立流体动力学模型及固体运动模型,在ANSYS Workbench中分别进行双向流固耦合受力分析、单双向流固耦合对比分析和模态分析,并考虑脉动压力,壁厚和管径等参数的影响。结果表明,弯管最大应力发生在入口和出口附近上下部,最大变形发生在转角及中间处;双向耦合作用下弯管最大等效应力与最大变形量均大于单向耦合;双向耦合作用下弯管固有频率明显降低,且固有频率随壁厚和管径的增大呈非线性增长。     

输电塔塔线体系风振响应分析

基于风洞试验得到的输电塔线性一阶广义荷载谱,推导了一般性的输电塔顺风向、横风向脉动风荷载功率谱公式。利用此功率谱,模拟了塔线体系顺风向、横风向脉动风荷载。对输电塔线体系及单塔的动力特性进行了分析,分析表明,在远低于单塔同阶振型的自振频率时,塔线体系中的输电塔平面外振型就会与导地线振动耦合。对单塔及输电塔-线体系进行非线性动力时程分析,得到了位移、加速度和内力等响应的时程,对比了有、无横风向脉动风荷载的风振响应,并分析了风振响应的功率谱。     

一种新型风电塔架结构用双向TMD风致响应减振控制研究

为了减小风荷载作用下风电结构动力响应,提出一种双向调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)并对其减振效果展开研究。采用Davenport脉动风功率谱,模拟陆上风电场的脉动风速。建立顶部集中质量有限元模型和考虑风电结构叶片与塔筒耦合的叶片-塔筒有限元模型,计算两种模型的自振特性,并对安装双向TMD的风电结构的响应进行分析。分析结果表明:该装置具有较好减振效果;在两种不同计算模型下,风电结构塔筒顶部位移、加速度和底部弯矩计算结果及控制效果一致;在叶片-塔筒模型中,由于叶片-塔筒模型中叶素力与轮毂中存在偏心,使得叶片-塔筒模型顶部弯矩相比集中质量模型顶部弯矩较大。     

分流叶片离心泵非定常流动及动力学特性分析

为了研究在流固耦合作用下分流叶片对低比转数离心泵内部非定流动及结构动力特性的影响,以高温熔盐泵为研究对象,采用计算流体力学软件ANSYS CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对有/无分流叶片的两种方案高温熔盐泵,进行了考虑泵内部流场和结构场的相互作用的双向流固耦合求解。对比分析了两种方案对泵非定常流动及结构动力特性的影响,结果表明:流固耦合作用使得各监测点的压力脉动和径向力脉动规律和幅值均发生了明显变化,说明在该类泵的流场模拟中,流固耦合作用较明显,不可忽视;分流叶片的添置减小了流场内压力脉动及径向力脉动幅值;带分流叶片转子的变形量变化梯度、等效应力变化梯度、最大变形量及最大应力值均小于不带分流叶片转子,且带分流叶片转子等效应力随时间的变化也明显小于不带分流叶片转子。即分流叶片的添置不仅有利于提高转子的承载能力,而且还有利于改善转子的变形和受力,从而提高转子的抗疲劳能力。     

潮流能水轮机叶轮压力脉动特性分析

潮流能水轮机周围流场的压力脉动是影响水轮机运行稳定性的关键因素之一。基于CFD单、双向流固耦合方法和滑移网格技术,对水平轴潮流能水轮机叶轮实施了三维数值模拟。通过分析水轮机周围流场的非定常流动,得到了三种不同工况下叶轮的应变特征、各监测点的水压力脉动和频域振动特性。计算结果显示:双向流固耦合计算得到的最大变形量与最大应力值均较单向流固耦合时略大,随着水流速度的增加,叶轮叶片的应变量增幅与有效应力增幅逐渐降低;水轮机的压力脉动幅值由叶尖到叶根基本呈递减趋势;水轮机压力脉动的主频率集中在相应工况的叶频附近,且水轮机叶片背面的压力脉动比正面的波动程度要剧烈。     

基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析

为研究停机状态下不同叶片位置对大型风力机塔架-叶片体系风振响应的影响,以某3 MW大型水平轴三叶片风力机为研究对象。基于大涡模拟(LES)方法对叶片八个不同停机位置下的风力机体系流场和气动力性能进行了数值模拟,并通过与国内外实测数据对比验证了该方法的有效性;结合有限元法对考虑叶片不同停机位置的风力机塔架-叶片耦合模型进行了动力特性和风振响应时域分析。主要结论为:不同叶片停机位置对风力机塔架绕流特性和气动力分布影响显著,塔架中上部风振响应受叶片不同停机位置的影响最大,尤其是迎风面和背风面的脉动位移均方差响应较大,相应最大值出现在工况八下塔顶350°位置;最大塔底弯矩出现在工况二的环向330°位置;工况五下三叶片叶尖顺风向位移响应峰值2.5 m;研究表明在进行大型风力机抗风设计时应考虑不同叶片停机位置的影响。     

索穹顶结构风振响应时程分析

采用改进的AR法和相应自编程序,模拟出索穹顶屋盖结构各节点的脉动风速时程,将流固耦合作用引入结构的动力平衡方程,进行了结构风振响应时程分析。通过结构典型节点处的位移响应和关键构件的内力响应计算结果的分析,给出结构的位移风振系数和内力风振系数,并与结构风振响应频域分析结果加以对比,得到一些有意义的结果和结论。     

考虑叶片离心刚化效应的风力机塔架风振反应分析

为分析风轮作用力和叶片刚化对风力机塔架风振反应的影响,研究了考虑叶片刚化效应时风力机塔架的风振反应。采用谐波叠加法模拟了风力机塔架和叶片的脉动风速时程,在理论上推导了考虑离心刚化效应的叶片振动方程。该文分3种工况计算了叶片与塔架在风荷载作用下的动力反应,并对比了3种工况的塔架顶点位移及其相对误差。结果分析表明:叶片剪力对塔架的动力反应影响较大,叶片刚化效应减小了塔架的风振反应,在动力计算过程中应考虑刚化效应的影响。     

海上风力塔架结构模型振动台试验研究

目前风力发电技术发展迅速,风电塔架结构作为风机的主要支撑结构,其在地震作用下的安全性十分重要.对于此种三脚架结构还未进行过振动台试验研究,所以该文利用地震模拟振动台试验的方法对海上风力发电塔三脚架结构1 ∶ 20比例模型进行了系列的试验,研究了模型结构的动力特性,以及在加速度峰值0.3g、0.6 g和0.9 g作用下结...     

基于塔架-叶片耦合模型风力机全机风振疲劳分析

以某5 MW特大型风力机为例,提出了风力机全机结构风振疲劳的时域分析方法。采用谐波合成法和改进的叶素-动量理论产生了风力机运营状态的气动载荷,对风力机塔架-叶片耦合结构进行了非线性风振时域分析。基于时程结果并结合线性累积损伤理论对风力机全机关键部位的风振疲劳寿命进行了预测,该方法充分考虑了风剪切、塔影、尾流影响、塔架-叶片之间的气动和模态干扰作用、叶片旋转效应的影响。算例分析表明,该文预测方法可有效估算水平轴风力机全机结构的疲劳损伤问题,相关研究结论可为超大型风力机全机结构的疲劳寿命预测提供科学依据。     

长周期地震下风力发电塔架结构地震反应分析

风力发电在全球范围内得到大规模应用,地震活跃地区已建成和在建风电场数量逐渐增多,地震荷载成为风力发电塔设计中的重要因素。该文针对风力发电塔结构周期较长、对富含低频成分的长周期地震动较为敏感的特性,选择远场长周期地震动与近场脉冲型长周期地震动各20条,并选择20条非长周期地震动作为参照。以一座1.5 MW在役风力发电塔为例,建立其OpenSees的纤维截面梁柱单元模型,并通过现场实测数据对该模型进行了验证。在此基础上,分析了塔架结构在长周期地震下的地震响应,并讨论了近断层脉冲地震动的水平速度脉冲和竖向地震作用对塔架结构地震响应的影响。结果表明:相同峰值加速度条件下,远场长周期地震动更不利,塔顶水平位移和塔底内力均最大,峰值加速度0.15 g远场长周期地震作用与峰值加速度0.45 g非长周期地震作用相当。相对于远场长周期地震动,未发现近场长周期的水平速度脉冲对结构响应产生不利影响;其竖向地震荷载带来的竖向惯性力和P-Δ效应在一定程度上增大了塔架结构的轴力和塔底弯矩,但影响并不明显。近场脉冲型长周期地震动不利的主要因素仍然是其较大的峰值加速度。选择两条主频与塔架基频最接近的长周期地震动并调幅,进行风电塔截面塑性分析。结果表明:距塔底约12 m的截面最先发生屈服。当地震动峰值加速度达到0.5 g时,该截面进入塑性;0.6 g时,达到屈服。     

风力机翼型动态失速气动特性仿真

基于Beddoes-Leishman(B-L)半经验动态失速模型,从附着流、分离流和动态涡三个方面阐述了风力机翼型在动态失速情况下非定常气动力系数的计算方法。在此基础上根据风力机翼型工作时的实际特点对原B-L模型中分离流和动态涡气动力系数的计算进行了改进,并将模型扩充到适用于全范围攻角的动态失速计算。利用所编制的程序仿真了风力机翼型S809和NACA4415动态失速下的升力、阻力和力矩系数。计算结果与实验数据吻合良好。改进模型与原B-L模型计算结果的对比表明,改进后的模型提高了对非定常气动力系数计算的精确性和适用区间,能更好地预测动态失速气动力的变化。     

基于Pitt-peters理论的风力发电机振动分析

采用Pitt-Peter理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/simulink进行编程,建立风力机传动链的数学模型并在MATLAB/simulink中进行传动链系统的编程运算,建立风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,将MATLAB/simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真;将计算的气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时风力机的结构变形也对气动性能、传动性能产生耦合影响,仿真最终实现风力机系统振动性能耦合分析。仿真数据同实验测试数据比较表明:该联合仿真方法可以较好的模拟风力机的振动特性。     

近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

采用基于广义概率密度演化方程的极值概率密度理论,该文研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力可靠度问题。波场由基于拟层流风波生成机制的随机Fourier海浪谱及线性波浪理论模拟,确定性结构动力响应由有限元模型分析给出。结果表明:采用极值概率密度理论可以方便地计算出不同阈值水平下塔顶侧移的动力可靠度,采用经典的Poisson模型计算的动力可靠度随阈值水平的降低而误差增大。     

叶片局部损伤对大型水平轴风力机静动态特性影响的仿真分析

基于参数化整机模型研究风力机的静态和动态特性,以及叶片局部损伤对单叶片和整机的静动态特性影响规律,揭示叶片局部损伤与这些特性的关系。使用ANSYS的APDL语言,实现MW级水平轴风力机复合材料叶片的参数化建模;采用公共几何元素、连接单元和自由度耦合等方法,组建包含叶片、轮毂、塔架等部件的整机有限元模型。计算分析了重力、离心力和风压力共同作用下正常整机和包含叶片局部损伤的整机在迎风位置时的静态响应。比较了正常和损伤状态下根部固定单叶片和装入整机中叶片的动态应变响应。研究表明:对根部固定的单叶片,风轮面内的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而减小;对整机中的叶片,垂直风轮面的动态应变响应随迎风面损伤程度的增大而增大。研究方法和结论对大型水平轴风力机叶片损伤的在线监测具有重要 意义。     

风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进

该文从日常的风力机气动设计和研究出发,在考虑非定常条件下翼型绕流物理特性的基础上改进动态失速的半经验模型,先得到二维时的计算结果(即不考虑旋转影响的计算结果),再在考虑紊流的情况下分析离心力和哥氏力对附面层分离的影响来计算风力机叶片的非定常气动特性,得到三维时的计算结果(即考虑旋转影响的计算结果)。分析比较二维和三维时的计算结果,可知采用考虑旋转影响的计算方法改善了原来二维时的计算方法,所得结果与实验值吻合得较好。