复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究

在复杂工况下,大型风力机受到载荷更加严重,导致风力机气动和结构耦合响应问题更加明显。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷,加入了复杂工况的模型,进行了动态失速模型和三维旋转效应模型修正。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,采用有限元法结合模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且通过Newmark方法进行数值求解该方程。实现了复杂工况数值模拟计算,比较不同复杂工况的气动弹性响应结果。最后,得出大型风力机在复杂工况下的气动性能、载荷、动态响应和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的迟滞时间。这为推进自由涡尾迹方法应用于大批工况载荷计算,以及提高大型风力机载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

大型风力机的几何非线性动态响应研究

随着风力机大型化、柔性化发展,风力机叶片的变形越来越大,几何非线性效应也越来越明显。采用自由涡尾迹方法提高风力机气动载荷计算精度,应用有限元方法建立了风力机叶片结构梁模型。应用伽辽金方法建立叶片的几何非线性刚度矩阵,同时构建了叶片的非线性动力学方程。采用Newmark直接积分法进行时间步长推进,并采用修正的Newton-Raphson方法进行增量迭代计算,实现了大型风力机叶片气动与非线性结构耦合计算模拟。最后,通过美国可再生能源实验室的Phase VI风力机实验数据验证了计算模型的准确性和可靠性。同时以大型风力机NH1500为算例,计算了叶片的线性与非线性动态响应,分析了叶片几何非线性对动态响应和气动性能的影响。这对于提高大型风力机设计水平和各个部件载荷计算准确度具有重要意义。     

偏航状态下风力机塔架-叶片耦合结构气弹响应分析

提出一套快速预测偏航状态下风力机全机结构气弹响应的分析方法。以南京航空航天大学自主研发的5MW特大型概念风力机为例,建立风力机塔架-叶片耦合模型获取模态信息;采用谐波叠加法和改进的叶素-动量理论计算气动荷载,并考虑了偏航角对诱导速度的影响;再运用模态叠加法求解风力机耦合动力学方程,通过迭代循环更新叶片速度和气动力,对风力机塔架-叶片耦合结构进行气动载荷和气弹响应计算,并通过参数分析归纳出偏航角和气动弹性对风力机全机动态响应的影响规律。研究结论可为此类特大型风力机塔架-叶片耦合结构的抗风设计提供科学依据。     

基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析

为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应,研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈,构建包含多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上,运用计算多体系统动力学理论和Roberson-Wittenburg的建模方法,结合叶素动量理论,采用Kaimal模型模拟脉动风速,建立风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW近海风力机为研究对象,分析叶片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩,研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明,叶片达到一定长度后,模拟风力机气弹响应问题时,其振动影响不可忽略。     

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。     

地震作用下风力机时频域动态响应特性分析

为研究地震载荷对大型风力机结构动力学响应的影响,基于Wolf方法建立风力机基础与土地的耦合模型,在FAST软件中仿真了NREL 5 MW风力机开机启动、正常运行、偏航和紧急停机等工况下的结构动力学响应。针对风力机气动弹性响应在地震和湍流风联合作用时典型的非线性和非平稳特点,通过希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform)分析风力机塔顶位移时频域响应特性。结果表明:地震载荷对塔顶位移的影响不可忽略,尤其是对侧向位移的影响,同时地震载荷是塔顶振动的主要激励,气动载荷影响几乎可以忽略;塔架一阶固有频率为塔顶振动特征频率,地震载荷明显增大固有频率响应幅值,且增大了其二倍频处的响应,塔架结构抗震设计时应考虑这一现象。     

风力发电机耦合振动分析

采用叶素动量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。研究为风力机振动特性分析进行了一次有益的探索。     

柔性扑翼气动性能的数值研究

国内外对扑翼飞行的气动特性进行了大量研究,这些研究大多基于简谐扑动的刚性翼,然而大量观察发现鸟或昆虫飞行时,翅膀存在明显的柔性变形,这种变形对其气动性能具有显著的影响。该文针对一简化的二维柔性扑翼模型,采用数值求解N-S方程并耦合扑翼柔性变形方程的计算方法,研究了扑翼柔性变形对其气动性能的影响。结果显示扑翼的柔性变形改变了扑翼周围的涡结构,从而影响扑翼的气动性能;适当的柔性变形能延迟前缘涡的脱落,从而有效地改善扑翼的推进效率,但同时减弱了扑翼在低雷诺数环境中产生高升力的尾迹捕捉机制。     

基于流固耦合的旋翼结构振动载荷计算分析

建立旋翼结构振动载荷的流固耦合分析方法,计算分析旋翼前飞状态下的结构振动载荷,其中旋翼动力学模型中采用大变形梁模型,旋翼气动模型采用CFD模型,利用多重滑移网格技术实现旋翼变距、旋转等运动,最后采取松耦合策略集成动力学、气动模型。在结构和气动模型分别验证的基础上,通过计算SA349/2直升机桨叶在前飞状态的挥舞、摆振剖面结构振动载荷并对比飞行实测数据,验证流固耦合计算方法的准确性,同时对比自由尾迹模型计算结果,证明在旋翼结构振动载荷计算当中引入CFD方法能有效提高载荷计算的预估精度。     

V型叶尖结构对风力机近尾迹流场及声场特性影响的仿真研究

基于计算流体力学方法,利用FW-H声学计算方程分析不同V型叶尖结构对风力机近尾迹流场和声场造成的影响,分析额定尖速比下不同V型叶尖结构风力机流场、涡量场分布情况及叶尖区域内声压值的变化规律。结果表明:合理改变叶尖结构能够有效改善风力机叶轮叶尖速度分布情况,进而改变叶轮叶尖处涡量场的大小;V型叶尖结构风力机叶尖处产生的涡量小于未改型叶尖型风力机;V型叶尖结构风轮旋转基频所对应的旋转噪声总声压级低于未改型叶尖型风力机4~6 d B,降幅在4.72%~6.39%;V型叶尖的高度是影响风轮旋转噪声和叶尖涡噪声降低的主要因素。     

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析

研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法.运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布;应用多体动力学方法,分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响;根据模态叠加法,计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应;探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法;提出了一种基于Palmgren Miner线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法.通过所设计的1.5MW变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明,该方法是可靠和实用的.     

Fluid–structure interaction modeling of wind turbines: simulating the full machine

In this paper we present our aerodynamics and fluid?Cstructure interaction (FSI) computational techniques that enable dynamic, fully coupled, 3D FSI simulation of wind turbines at full scale, and in the presence of the nacelle and tower (i.e., simulation of the ??full machine??). For the interaction of wind and flexible blades we employ a nonmatching interface discretization approach, where the aerodynamics is computed using a low-order finite-element-based ALE-VMS technique, while the rotor blades are modeled as thin composite shells discretized using NURBS-based isogeometric analysis (IGA). We find that coupling FEM and IGA in this manner gives a good combination of efficiency, accuracy, and flexibility of the computational procedures for wind turbine FSI. The interaction between the rotor and tower is handled using a non-overlapping sliding-interface approach, where both moving- and stationary-domain formulations of aerodynamics are employed. At the fluid?Cstructure and sliding interfaces, the kinematic and traction continuity is enforced weakly, which is a key ingredient of the proposed numerical methodology. We present several simulations of a three-blade 5~MW wind turbine, with and without the tower. We find that, in the case of no tower, the presence of the sliding interface has no effect on the prediction of aerodynamic loads on the rotor. From this we conclude that weak enforcement of the kinematics gives just as accurate results as the strong enforcement, and thus enables the simulation of rotor?Ctower interaction (as well as other applications involving mechanical components in relative motion). We also find that the blade passing the tower produces a 10?C12?% drop (per blade) in the aerodynamic torque. We feel this finding may be important when it comes to the fatigue-life analysis and prediction for wind turbine blades.     

风荷载的几种模拟方法

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。     

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。     

On Advanced Control Methods toward Power Capture and Load Mitigation in Wind Turbines

This article provides a survey of recently emerged methods for wind turbine control. Multivariate control approaches to the optimization of power capture and the reduction of loads in components under time-varying turbulent wind fields have been under extensive investigation in recent years. We divide the related research activities into three categories: modeling and dynamics of wind turbines, active control of wind turbines, and passive control of wind turbines. Regarding turbine dynamics, we discuss the physical fundamentals and present the aeroelastic analysis tools. Regarding active control, we review pitch control, torque control, and yaw control strategies encompassing mathematical formulations as well as their applications toward different objectives. Our survey mostly focuses on blade pitch control, which is considered one of the key elements in facilitating load reduction while maintaining power capture performance. Regarding passive control, we review techniques such as tuned mass dampers, smart rotors, and microtabs. Possible future directions are suggested.     

风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析

现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。     

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。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

工作状态对风力发电机地震响应的影响

风力发电机受到的气动力作用表现为气动阻尼和空气动力荷载,对结构地震响应分别具有阻尼效应和动力效应。该文建立理论分析模型,考虑运行和停机两种工况,分析工作状态影响风力发电机地震响应的规律和机理;针对NREL 5 MW基准风机,采用FAST软件分析不同风-地震组合作用下风力发电机结构动力响应,验证理论分析结果的正确性;同时,分析输入地震动方向对风力发电机地震响应的影响。结果表明：工作状态对风力发电机地震响应的影响与地震动幅值和风速有关;强震作用下,停机状态地震单独作用为最不利工况;弱震作用下,额定风速-设计地震动组合是最不利荷载组合;输入地震动方向影响风力发电机动力响应。