计算流体力学在大型风力机空气动力学的应用进展北大核心CSCD

针对大型风力机设计中的关键空气动力学问题,比较系统地介绍了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法的主要应用,特别是在大型风力机翼型气动分析、风力机流动的数值模拟、风轮空气动力特性的数值计算以及大型风力机叶片的多目标气动优化设计方面的进展.基于CFD方法分别实现了风力机翼型与叶片二维/三维气动特性的准确预测,风力机尾流场涡系结构的准确捕捉;并结合多目标遗传算法对1.5 MW风力机叶片进行了优化,获得了具有高风能利用效率的叶片方案.     

损伤对粘弹性矩形板非线性动力特性的影响

研究了考虑损伤效应的粘弹性矩形板在横向周期载荷作用下的非线性动力学问题．基于Von Karman方程、Boltzmann叠加原理和连续损伤力学理论,建立了以中面位移表示的考虑损伤效应的粘弹性薄板的非线性动力学方程,然后,应用有限差分法和Newmark法进行求解,并与相应的文献作出了比较．具体讨论了外载荷参数和板的几何尺寸对含损伤效应的粘弹性板非线性动力响应的影响．数值结果表明,考虑损伤效应时,结构的非线性动力响应会发生显著的变化．     

基于特征函数法的大展弦比机翼静气动弹性系统的数值计算与分析

飞行器结构在空气动力作用下会发生弹性变形,这种弹性变形反过来又使空气动力随之改变,由此形成气动弹性现象.一般来说,大展弦比机翼气动弹性分析需同时考虑扭转变形、弯曲变形及其相互耦合的效应.重点放在前者,即研究大展弦比机翼静气动弹性扭转发散问题,具有模型简单、更适合于机理分析.借助于特征值理论,针对“杆-梁”机翼模型分析机翼展向攻角的变化规律,探察数值模态解与理论解之间的差异.算例试验表明,特征值问题的理论发散解与事实不符,不能应用于工程实践.建议从展向攻角分布规律中寻找发散速度解.此外,计算后的攻角分布可为载荷重新分布等后续问题研究提供参考.     

“大型(兆瓦级)风力机的空气动力学问题”专刊预告

近年来,风能作为无污染、可再生的自然能源引起了人们的高度重视。风力机是捕获风能的动力装置。大型(兆瓦级)风力机的建造和运行涉及到一系列复杂的空气动力学理论和应用问题:如叶片翼型升力特性、叶片气动弹性和气动噪声、风力机风洞模拟实验以及叶片气动优化设计等,成为近期国内外力学、工程界研究的前沿和热点之一。     

隔水套管波流联合作用下非线性动力响应

考虑流及波流联合作用,研究了深水套管的涡激非线性振动．将套管简化为梁模型,计及Morison非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程．采用Korolov函数求解套管的固有频率和模态,提出了计算涡激非线性动力响应的Galerkin方法,计算了160 m水深中170 m长套管的固有频率和模态,研究了流引起的主共振和波流联合引起的组合共振．计算结果表明波流联合作用下套管的动力响应明显增大,结果也揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性．     

考虑大变形的刚-柔耦合旋转智能结构动力学分析

基于Hamilton原理对带端部质量的刚柔耦合旋转智能结构建立了耦合的非线性动力学模型．根据一阶近似耦合（FOAC）模型理论,通过有限元方法,得到了系统的有限维模型．模型中考虑了轴向、横向位移和转动角度的非线性几何效应,以及压电材料和结构的大变形及离心刚化效应．在有限元模型的基础上,建立了3种实际系统模型方程,分别是无压电层的结构,有压电层开环状态和闭环状态．最后基于简化模型的仿真结果显示出有端部质量和没有端部质量的差异,智能结构梁在闭环和开环的差异,高速旋转梁的离心作用及结构外加电载荷的动力响应．     

气动、结构、载荷相协调的大型风电叶片自主研发进展

从叶片设计的3个关键环节（气动设计、结构设计和载荷评估）出发,对叶片自主研发进展进行了总结分析．在气动设计方面,概述了计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法、涡方法和叶素动量（blade element momentum, BEM）方法,并依据工程中广泛应用的BEM方法,指出了低风速区风电叶片的解决思路;在结构设计方面,简要概述了基于梁模型的传统设计分析方法,分析了其在大型复合材料叶片薄壳结构上的不足,并对有限元方法（finite element method, FEM）在叶片结构分析中的应用进展进行了介绍;在载荷评估方面,介绍了其对叶片和整机其它部件的影响,阐述了载荷预估方面的工作进展．然后,通过分析3个关键环节之间的相互关系,得到如下结论:建立气动、结构和载荷相协调的叶片优化设计体系,才能真正满足高效低成本的需要．最后,指明了需要进一步研究的主要方向,即高效低载翼型研究,结构非线性有限元分析,气动-结构耦合研究,设计标准制定．最终目标是建立适合中国风资源特点的叶片研发体系,推动我国风电产业发展.     

张力腿平台有限振幅运动的方程和数值解

论证了张力腿平台（TLP）在波浪作用下发生有限振幅运动时,所受惯性力、粘性力、浮力等载荷不仅与波浪场有关,还与瞬时响应有关,是响应的非线性函数;张力腿拉力也是各自由度位移的非线性函数．所以分析TLP受力时必须考虑平台的瞬时加速度、速度和位移,在瞬时位置建立运动方程．据此推导出TLP发生有限振幅运动时的外力计算公式,建立了TLP 6自由度有限振幅运动非线性控制方程．其中考虑了由6自由度有限位移引起的多种非线性因素,如各自由度之间的耦合、瞬时湿表面、瞬时位置等;还包括自由表面效应、粘性力等因素引起的非线性．用数值方法求解所得到的非线性运动方程．对典型平台ISSC TLP进行了数值分析,求得该平台在规则波作用下的6自由度运动响应．用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好．数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应有明显改变．     

风力机叶型增升及叶尖流动控制研究

研究了两种改善风力机叶型气动性能的流动控制技术,分别对风力机专用S809翼型和较大升阻比的FX 60-100翼型进行应用研究．首先,通过在叶型前缘加装流动偏转器,研究流动偏转器对叶型流动分离的控制效果．并采用多岛基因算法,对流动偏转器进行多参数优化．结果表明:流动偏转器可以有效控制叶型的失速特性,推迟失速攻角和增加升力;基因优化算法能更大地提升流动偏转器的控制效果．其次,基于对风力机叶尖旋涡和尾涡特征以及叶片表面压力分布的分析,在叶片尖部加装不同倾斜角的旋涡扩散器控制叶尖涡．结果表明:涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其旋涡强度,使风力机尾流旋涡耗散更快,从而可以减小噪声,提高叶片效率．     

海上浮式风力机及其动力学问题

深水风资源更为丰富,随着科技进步风电场正逐步向水深百米及以上的海域发展．海上浮式风力机、浮式基础以及系泊系统作业时,受到风浪流等的联合作用．就不同海上浮式风力机形式及其典型结构对应的气动载荷、水动力载荷,浮式风力机系统与环境动力的耦合问题、处理方法和可能的发展方向作了简要的评述．充分考虑作业背景的环境流场和风力机尺度,针对不同的流动特征综合各种理论方法和计算手段,更为准确地进行空气动力学-水动力学-控制系统-结构耦合分析是研究的难点和发展方向.     

旋转壳在子午面内整体弯曲的几何非线性摄动有限元法及在波纹管计算中的应用(Ⅰ)

为切实有效地计算波纹管,建立了旋转壳在子午面内整体弯曲几何非线性问题的摄动有限元法。以结构环向应变的均方根为摄动小参数,将有限元节点位移列式和节点力列式直接展开。通过摄动小参数将非线性有限元的载荷分级和迭代过程有机地统一起来,即载荷的分级是有约束的,每一级载荷增量和所对应的位移增量之间的关系是已知的,每一级的计算一步到位。为叙述方便并具实用性,将旋转壳用截锥壳单元进行离散。位移分量和载荷分量沿环向按Fourier级数展开,沿子午线用多项式插值,端面弯矩和横向力化成载荷分量离散到节点上。采用Sanders中小转角非线性几何方程和各向同性广义Hooke定律。对多层材料叠合而成的旋转壳按各层薄膜应变、弯曲应变、扭转应变相等的原则进行处理,该方法能方便有效地计算单层和多层波纹管整体纯弯曲、横向弯曲的几何非线性问题。并为有限元处理非线性问题提供了一条新途径。     

风力机叶尖涡尾迹结构PIV测量研究

空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所依托工程型大风洞（实验段直径3.2 m）,采用高分辨率CCD相机（4 008像素×2 672像素）,针对旋转状态下的风力机叶片尾流开展大视场（单个观测区域达到570 mm×380 mm）PIV(particle image velocimetry)测量,以NREL UAE Phase Ⅵ风力机叶片1/8缩比模型为实验对象,获取了叶尖涡产生、发展的流动数据,为研究风力机叶尖涡结构和流动机理研究提供重要的基础数据．观测结果表明,叶尖涡从后缘脱落后首先有一个短时间的向内运动,然后随着尾流的膨胀向外运动,其涡强度则先是短时间内降低,然后随着涡的卷起而增强,从而形成一个强大的叶尖涡．在实验观察范围内叶尖涡在来流方向的迁移规律近似线性．     

基于外场实验的风力机叶片三维效应研究

针对一台33 kW水平轴风电机组开展了外场实验,得到其叶片7个断面翼型的压力分布曲线;基于求解时均N-S方程对风轮进行三维数值模拟,以及将叶片各断面作为二维翼型进行数值计算,分别得到各断面翼型的压力分布曲线及升阻力系数．通过将外场实验、三维和二维数值计算所得压力分布曲线及升阻力系数进行对比分析,研究了三维效应对风力机气动性能的影响．研究表明,从叶尖到叶根各断面翼型的压差先增大后逐渐减小,叶片表面压力分布曲线比较明显地反映了从叶尖到叶根流动分离的变化;叶片表面压力分布的三维数值计算结果较二维计算结果更加接近于外场实验值;风力机叶片表面的三维流动对叶片的气动性能影响较大,在叶尖和叶根部分尤为突出.     

三叶片垂直轴水轮机结构动力响应分析

提出采用改进离散涡和几何精确梁理论混合方法对三叶片垂直轴水轮机进行结构动力响应分析.相比传统的有限元方法,该方法具有求解速度快、建模简单、计算精确等优点.在模态分析中,计算了不同叶片高度下,水轮机叶片和整体的前五阶固有频率,分析了水轮机半径大小和叶片高度对固有频率的影响,结果显示:随着尺寸的增加,叶片和整体固有频率显著减小,整体固有频率更易受到半径大小的影响.在瞬态分析中,考虑了离心载荷和叶片的水动力载荷,得到在工作状况下,旋转一周过程中叶片的最大变形曲线;分析了在不同H/R（叶片高度和半径的比值）的情况下的叶片强度问题,结果显示:当H/R大于3.0时,叶片强度将会失效.     

旋转壳在子午面内整体弯曲的几何非线性摄动有限元肖及在波纹管计算中的应用（Ⅰ）

为切实有效地计算波纹管，建立了旋转壳在子午面内整体弯曲几何非线性问题的摄动有限元法。以结构环向应变的均方根为摄动小参数，将有限元节点位移列式和节点力列式直接展开。通过摄动小参数将非线性有限元的载荷分级和迭代过程有机地统一起来，即载荷的分级是有约束的，每一级载荷增量和所对应的位移增量之间的关系是已知的，每一级的计算一步到位。为叙述方便并具实用性，将旋转壳用截锥壳单元进行离散。位移分量和载荷分量沿环向按Fourier级数展开，沿子午线用多项式插值，端面弯矩和横向力化成载荷分量离散到节点上。采用Sanders中小转角非线性几何方程和各向同性广义Hooke定律，对多层材料叠合而成的旋转壳按各层薄膜应变、弯曲应变、扭转应变相等的原则进行处理，该方法能方便有效地计算单层和多层波纹管整体纯弯曲、横向弯曲的几何非线性问题。并为有限元处理非线性问题提供了一条新途径。     

周期载荷下超弹性圆柱壳的动力响应

研究了不可压超弹性圆柱壳在内表面周期载荷及突加常值载荷作用下的运动与破坏等动力响应问题．通过对所得描述圆柱壳内表面运动的非线性常微分方程解的数值计算和动力学定性分析,发现存在一个临界载荷;当突加常值载荷或周期载荷的平均载荷值小于这一临界值时,圆柱壳的运动随时间的演化是周期性的或拟周期性的非线性振动,而当其大于这一临界值时,圆柱壳将被破坏．另外,准静态问题的解可作为突加常值载荷作用下系统动力响应解的不动点,且不动点的性质与动力响应解及圆柱壳运动的性质有关．讨论了圆柱壳的厚度和载荷等参数对临界载荷值和圆柱壳运动特性的影响．     

基于时间有限元方法的旋转柔性叶片动力学响应分析

将时间有限元方法引入到柔性多体系统的数值计算中,研究了旋转柔性叶片系统的刚-柔耦合响应问题.首先,基于非线性梁理论,建立了旋转柔性叶片系统的中心刚体-柔性梁模型,构造柔性叶片系统考虑一次近似耦合的Lagrange函数;其次,采用假设模态方法对空间坐标进行离散,建立系统的时间有限元格式;最后,通过数值实验,分析了柔性叶片的动力学响应.该方法直接构造了系统的离散积分格式,并自动保证了该格式是保辛的,因而具有较高的数值精度和稳定性.数值结果表明:时间有限元可以有效地求解旋转柔性叶片系统内低频大范围运动与高频弹性振动之间的刚-柔耦合问题.     

超声速流中含间隙和立方非线性二元机翼的动力学分析

研究超声速流中含间隙和立方非线性二元机翼的气动弹性响应．首先由二阶活塞理论得到了双楔机翼的气动力和气动力矩．然后由平均法得到了气动弹性方程的极限环响应,并用Floquet理论分析了极限环的稳定性．结果表明,间隙系统在超临界Hopf分岔的条件下也存在Fold分岔和幅值的跳跃现象．而后,数值解与平均法的结果进行了对比,两者吻合得很好．最后,详细研究了间隙参数对气动弹性响应的影响．     

改进的NSGA-Ⅱ算法研究风力机叶片多目标优化

将一种采用精英控制策略和动态拥挤方法用于快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）,并应用到风力机叶片的优化研究中,获得了一种新颖的风力机叶片多目标优化设计方法．作为应用算例,以设计风速下的功率系数最大和叶片质量最小为优化目标,用该方法设计了5 MW大型风力机叶片．优化结果表明,此算法在处理风力机多目标优化问题取得了良好的效果,给出的是一个Pareto最优解集,而不是传统优化方法追求的单个最优解,为风力机多目标优化设计提供新的思路和通用的算法．     

基于高阶空间精度格式和嵌套网格对旋翼尾迹捕捉的改进

发展了一种基于高阶迎风格式和嵌套网格捕捉直升机悬停旋翼涡尾迹的方法．无粘通量采用Roe Reimann求解器,使用改进的5阶加权基本无振荡(WENO)格式对交界面左右状态进行高阶插值,并与MUSCL插值进行比较．为便于捕捉尾迹和实施周期性边界条件,计算采用结构嵌套网格,其中高质量的旋翼网格完全嵌套于背景网格中．当解达到近似收敛后在桨尖涡分布区域对背景网格进行加密,如此经过3次得到优化的背景网格．考虑到WENO格式插值的特点,提出了搜索3层洞边界和人工外边界的方法以便插值的直接进行．用该方法对一跨音速和一亚音速悬停旋翼粘性流场进行了数值计算．数值结果表明:所发展方法对涡尾迹具有很高的捕捉能力;与MUSCL格式相比,WENO格式具有较低的数值耗散．