大型海上风电叶片载荷智能控制研究

近年来海上风电机组大型化已成为风电行业主要发展趋势之一。与此相应,柔性大变形风电叶片气弹效应将更加增强,致使叶片乃至整机载荷更大,严重危及机组的安全、可靠运行。为此,本文根据国际叶片载荷控制新概念—智能叶片,系统地总结了团队过去相关气动-伺服-弹性模型构建、系统在通常和极限风况下可靠性与参数影响等工作和取得的进展,并在此基础上,在国际上首次揭示了气弹耦合控制机理。这些成果的取得为未来大型海上风电机组叶片和机组优化设计提供了有价值的理论依据。     

不同传感信号对风电叶片载荷智能控制影响研究

本文在自主搭建的DTEF(柔性尾缘襟翼)"智能叶片"仿真实验平台的基础上,讨论了三种不同传感信号方案,即信号来自叶片挥舞方向加速度,叶尖位移和叶根挥舞力矩,对控制效果影响。首先,本文分析了四组不同位置处加速度信号对控制效果的影响,接着对比了三种传感器信号方案的优劣,最后详细分析了相关流动控制机理。通过详细的讨论,本文得出结论:1)由于复杂流动分离和变桨作用,导致风力机叶片在Ⅱ区运行时选取加速度传感信号越靠近叶尖,控制效果越差,与Ⅲ区运行时相反;2)三种传感器信号方案中,选取叶根挥舞力矩为传感信号时控制效果最佳,相比原有主机控制最大降低载荷12.0%~22.5%;3)DTEF的作用扰乱了控制前叶片流动-结构间较好的同步性,削弱了叶片系统间的气弹耦合作用,从而有效地减少了叶轮受载。     

海上风电叶片智能控制实验系统研制及控制效果分析

随着风力机大型化发展,叶片尾缘襟翼控制技术,作为叶片流场主动控制的一种有效手段,能够有效、快速、灵活地降低叶片载荷,提高风力机,特别是大型风力机的可靠性、经济性,该技术受到国内外的广泛关注.为深入了解叶片襟翼实际作用效果及降载机制,在大量数值仿真计算工作基础上,需进一步开展带有襟翼控制的模型风力机风洞实验工作.本文在相...     

极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

极端风剪切风况下的风电叶片载荷智能控制流动机理研究EI北大核心CSCD

本文以UpWind/NREL 5 MW为参考风力机,外部风况为IEC标准的极端风剪切(EWS),在自主开发的基于柔性尾缘襟翼(DTEF)的"智能叶片"整机气动伺服弹性仿真平台的基础上,研究了基于DTEF智能叶片系统在EWS情况下叶根所受极限载荷的变化情况,并同时分析了其对塔架,传动机构及变桨机构的影响。结果表明:采用该基于柔性尾缘襟翼的智能叶片系统不仅有效地减少了叶根所受极限载荷,同时对塔架,传动机构及变桨机构等受到的极限载荷都发挥了非常积极的作用。最后,详细分析了该控制系统背后的流动控制机理。结果表明:尾缘襟翼的主动作用有效地减弱了由于极端风剪切引起的叶片与流动之间较强的流固耦合作用。     

离心载荷作用下风力机叶片表面应力分析

本文运用数值模拟的方法针对某加厚翼型300 W小型水平轴风力机风轮进行离心载荷作用下叶片表面应力特性规律研究。通过设定较接近叶片实际运行状态的边界条件,得到离心载荷作用下叶片表面各参考点的应力值,并利用TST5925C无线旋转遥测系统对数值模拟结果进行验证分析,旨在探究在离心载荷单独作用下,叶片表面的应力特性随转速的变化规律。结果表明:不同转速下,叶片应力集中区均位于靠近叶根最大弦长(0.2R)处的翼型截面中部0.45倍相对弦长附近,随着转速的增加,应力集中的范围逐渐向外扩展,并呈现向前缘发展的趋势,发展至叶尖区最大应力出现在0.25倍相对弦长附近;其中等效应力沿叶展方向叶根至0.5R区域减小较快,0.5R至叶尖减小趋势相对平缓。相关结论可以为小型水平轴风力机叶片应力特性的研究提供参考。     

大型风电叶片的模态测试与数值模拟

近年来,风电机组越来越向大型化方向发展,叶片长度迅速增大,这使得风电叶片的动态响应研究越来越重要.本文利用对某MW级风电叶片进行了全尺寸模态试验的研究.之后针对大型风电叶片的特点,利用有限元方法对叶片的模态进行了数值模拟.通过对计算和试验结果的比较,验证了计算方法的可靠性.     

大型风电机组尾流效应非定常数值模拟研究

为了深入研究切变入流条件下大型风电机组尾流效应的非定常特性,以NREL 5 MW大型海上风电机组为研究对象,建立了机组三维整机流场的全尺度结构化网格模型,基于滑移网格方法开展了风电机组额定工况下尾流效应的非定常数值模拟研究,并通过与NREL报告数据对比验证了模拟方法的可靠性。分析了风切变、机舱塔筒、叶片旋转等多种因素综合影响下风电机组性能参数的周期性变化规律,探讨了切变入流对尾流区风速分布的影响,以及尾流涡系的结构与发展情况。     

大型风电机组桨距角跟踪鲁棒自适应反演控制

针对具有很强非线性的风力机桨叶系统,利用动量矩定理,建立桨叶动力学数学模型,采用自适应反演控制,设计独立变桨鲁棒自适应桨距角跟踪控制器。该控制方法采用在实际控制量中,引入自适应鲁棒项,克服和消除不确定性对桨叶系统的影响。利用Matlab/Simulink软件,搭建风力机仿真平台,仿真结果验证了所提出控制方法的可行性和有效性。在桨叶系统参数不确定、受到未知不平衡载荷的情况下,经过自适应过程,设计的控制器较好地实现了风力机桨叶桨距角独立、快速跟踪各自期望的桨距角。     

不同含水量条件下树种叶片光谱差异分析

叶片含水量是影响树种光谱特征的一个重要因素,探索不同叶片含水量条件下相同树种叶片光谱特征的变化规律及相同叶片含水量条件下不同树种叶片的光谱差异,不仅是高光谱植被遥感信息识别的关键,也为研究植被光谱随着叶片含水量变化产生的差异提供理论支撑。利用地物光谱仪对6个树种叶片进行观测,获取了不同含水量叶片的反射光谱,同时进行一阶微分光谱变换,从而分析不同叶片含水量条件下各树种叶片的光谱变化特征,对比了相同叶片含水量条件下不同树种叶片的光谱差异,探索高光谱遥感识别树种叶片含水量的可能波段。结果表明：各树种叶片光谱都随着叶片含水量的改变而产生较大差异,但变化规律各有不同;相同叶片含水量条件下,不同树种叶片的光谱在部分波长范围差异较大,为实现树种高精度识别提供了可能。本研究旨在为植被叶片光谱库的构建以及植被的高光谱识别提供理论支撑和基础数据。     

琅琊山景区不同叶绿素条件下树种叶片光谱差异分析

叶绿素含量高低反映植物健康状况,研究景区树种叶片叶绿素绝对值(SPAD)不同的光谱变化规律能为叶绿素高光谱监测波段识别与景区树种管理提供理论支撑。从琅琊山景区灌木和乔木类选取9个常见树种,探讨相同树种叶片SPAD值变化时的光谱差异,同时,横向对比相同SPAD值不同树种叶片的光谱特征,并深入分析不同树种叶片SPAD值与单波段原始光谱、光谱倒数、一阶微分、二阶微分及波段组合差值指数、归一化指数、比值指数、一阶微分归一化指数、一阶微分比值指数之间的关系。结果表明：9个所测树种叶片随着叶绿素SPAD值的升高,光谱变化规律各不相同,在可见光波段区分明显,总体上,光谱反射率最高的样本组SPAD值较低;叶绿素SPAD值相同时,在可见光波段,桂花较其余树种反射率整体较高; 在780~1 350 nm波段,广玉兰叶片反射率始终排前三,其余波段变化规律不明显;原始光谱反射率的二阶微分与海桐叶片SPAD值相关系数最大,一阶微分与其余8种相关性最高;与灌木、落叶乔木叶片SPAD值相关系数最大的光谱指数分别为差值指数、一阶微分归一化指数,与常绿乔木、不分树种相关系数最大的为一阶微分比值指数。     

不同位形大破裂工况下CFETR真空室预研件的电磁载荷分析

基于数值方法分析了中国聚变工程实验堆真空室预研件(CFETRVVmock-up)在大破裂工况(MD)下不同位形所对应的电磁参数,重点分析了不同位形运行条件下真空室上涡流和电磁力的分布及对比。结果表明,三种等离子体位形下VV电磁载荷分布情况近乎相等,各轴向分力最大值及各分段的最大值存在差异。电磁载荷的获得为进一步校核CFETR VV mock-up的局部结构强度提供了数据基础,对提高真空室的结构设计合理性和运行的安全性具有重要作用。     

不同氮肥处理下小麦冠层和叶片光谱特征及产量分析

利用遥感光谱无损、快速分析出氮肥的施用时期和施用模式,对于保护环境、产量及氮肥利用率的提高具有重要意义。利用FieldSpec 4 Wide-Res Field Spectrum radiometer便携式地物光谱仪,测定了不同氮水平下小麦冠层和叶片两种模式光谱特征及红边参数变化规律;提出一个新指数--归一化差异最大指数（normalized difference maximum index,NDMI）,并分析其与叶面积指数（leaf area index,LAI）、SPAD（soil and plant analyzer development）值、MDA（malondialdehyde）含量、旗叶氮含量和产量的相关性。结果表明,小麦叶片原始光谱在开花后26 d起800～1 330 nm区间的光谱反射率以N3（1/3底施+1/3冬前追肥+1/3拔节期追肥）处理为最高,N1处理（1/2底施+1/2冬前追肥）次之。主要原因是由冬前和拔节期两个时期均施三分之一氮肥,增强了叶片光合能力。小麦冠层原始光谱,在400～700 nm波段,N2（1/2底施+1/2拔节期追肥）处理最低;在760~1 368 nm波段区间,由于群体结构不同,在开花期至灌浆中期N1处理的光谱反射率最高,N3处理次之;N3处理的冠层光谱反射率在开花后26和33 d最高。建议用400～700和760～1 368 nm波段的冠层原始光谱数据,分别来辨别小麦旗叶含氮量的高低及施肥模式。叶片模式下一阶微分光谱在500～750 nm区间出现两个“峰”,通过峰的位置偏移程度和偏移时期来估测施氮的模式。在670～740 nm区间冠层一阶微分光谱值在开花期最高,开花后10 d的一阶微分光谱值最低。在开花期至开花后10 d N1处理的一阶微分光谱值高于N3处理;灌浆中期至开花后33 d N3处理的一阶微分光谱值高于N1处理。可以通过一阶微分最大值来推测小麦所处的生育期和施肥的方式及施肥时期。在开花期至灌浆中期,冠层反射率一阶导数最大值（FD-Max）N1处理最高,N3处理次之;在开花后26～33 d,N3处理的群体结构较其他处理密,导致其一阶导数最大值一直最高。四个处理叶片一阶导数最大值变化趋势不如冠层显著。四个处理的反射率一阶导数最大值对应的红边位置（REP_FD-Max）中,N1和N3冠层REP_FD-Max在灌浆中期后偏移显著;在开花后26～33 d,N3处理的群体上层结构密,叶片宽且厚,冬前追施氮肥影响REP_FD-Max偏移程度。基于NDVI基础上,筛选出一个新指数--归一化差异最大指数。冠层归一化差异最大指数（CNDMI）与农化参数的相关系数高于叶片归一化差异最大指数（LNDMI）,且CNDMI与产量的相关性比LNDMI显著。冠层归一化差异最大指数与旗叶氮含量、SPAD值和MDA含量有着显著的相关性,相关系数r分别为0.812 88,0.928 21和-0.722 17。综上所述,借助光谱数据和红边参数可以推测小麦含氮量的高低,所处的生育期和施氮肥的模式,进而为田间施肥管理及施肥诊断提供依据。CNDMI与小麦产量有着更好的相关性,符合我国资源卫星的光谱波段范围,具有可实际操作性。     

太阳能辅助不同容量燃煤机组热性能分析

本文针对槽式太阳能辅助不同容量燃煤机组的互补耦合发电系统,建立槽式太阳能集热场以及互补系统的数学模型,分析互补发电系统在典型工况以及年热力性能,并以此为基础研究集热场面积及蓄热对互补发电系统热力性能的影响。其结果表明,典型工况下低功率容量的耦合机组节煤效果更好,更能在较小的集热场面积下达到较高的热电效率;而从年性能的角度看,蓄热装置的引入会使互补发电系统的热性能显著提高。     

不同载荷下TA2钛合金柱壳爆炸碎裂的实验研究

金属柱壳外爆的膨胀碎裂过程及机理十分复杂,与多个因素有关。对TA2钛合金柱壳在不同装药爆炸驱动下的膨胀碎裂开展实验研究,探讨载荷特性对金属柱壳变形、碎裂过程及碎片特征的影响。结果显示:在较高爆炸压力作用下,柱壳厚度方向的中间部位首先形成损伤带,碎裂破坏从该处起始向内、外表面扩展,且随着载荷脉宽的减小,试样厚度中部的损伤带却更趋严重,试样外表面产生层裂破坏现象;在较低爆压下,断裂裂纹从内壁起始,沿45°或135°方向剪切扩展,断裂机制与较高爆压下不同。分析认为,不同特性爆炸冲击波来回反射、相互作用会导致不同机制竞争,影响柱壳断裂起始、裂纹扩展过程及模式。     

钠钾替代条件下不同基因型棉花叶片的FTIR光谱研究

钾缺乏是制约棉花生长的重要因子之一,而钠钾替代的研究一直是国内外关注的重点。以不同钾效率基因型棉花(钾高效HG103和钾低效LG122)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同钾钠处理下棉花叶片的物质组成进行研究,分析不同钾钠条件下,叶片红外光谱图谱的差异,探讨钠钾替代对其物质成分和结构的影响,以及基因型的差异。结果表明： (1)缺钾条件下施钠,2 960,2 855,2 926,1 103和1 078 cm-1这5个特征峰的相对吸光度均有所升高,其中HG103在2 960,2 855和2 926 cm-1处增加的量与LG122几乎一致,而在1 103和1 078 cm-1附近,HG103增加的量高于LG122;然而适钾的条件下施钠,这5个特征峰的相对吸光度都有所减少,且HG103减少的量都小于LG122,表明缺钾时施钠促进糖类、蛋白质和酯类的合成,其中对糖类的促进作用是HG103的大于LG122的,而对蛋白质和酯类的则没有差异;适钾时施钠则有抑制作用,对HG103的抑制作用小于LG122。(2)缺钾时,1 734和1 437 cm-1附近的特征峰缺失,而补充钠后这些缺失的峰也未出现,说明缺钾破坏了叶片中蛋白质酰胺Ⅰ带和纤维素的结构,而缺钾补充钠并不能缓解这种破坏,即对于钾的这些功能,钠不能完全代替钾。     

不同光温环境下玉米苗期叶片的高光谱特性响应分析

光温环境胁迫是影响作物优质高产的一个主要制约因素,传统的作物胁迫监测,敏锐性不足、耗时费力且多为有损检测。近年来随着信息技术的快速发展,高光谱技术能够快速无损的获取作物生理信息,并对逆境胁迫响应进行动态监测,为现代农业的精准化生产和智能化决策提供了数字化支撑,对实现传统农业向精准化、数字化的现代农业转变具有重要意义。以玉米苗期为研究对象,获取不同光温环境下叶片的高光谱数据和生理参数,探究玉米苗期叶片对不同光温环境的响应规律,进行高光谱差异性分析,并构建生理参数的高光谱反演模型。利用相关分析法筛选光谱敏感波段,采用多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、Savitzky-Golaay(S-G)平滑相结合的预处理方法,分别与偏最小二乘回归法(PLS)、主成分回归法(PCR)、逐步多元线性回归法(SMLR)三种建模方法组合,以模型相关系数和均方根误差作为模型效果评价指标,探索高光谱反演叶片生理参数模型的最优方法。结果表明：不同光温环境下玉米的高光谱特性在整体上变化趋势一致,但仍存在差异,在500～700 nm波段内,光谱反射率的升高表明光强的增强;在760～900 nm波段内,光谱反射率的升高表明温度的增强;且光温胁迫环境的变化,均可反映在高光谱特性上,波段760～900 nm内光谱的反射率在高温胁迫环境下较高,在弱光胁迫环境下较低,在低温胁迫环境下反射率显著降低;所构建的SPAD和F_v/F_m的反演模型中,建模最优方法为PLS-MSC-SG,模型验证集相关系数分别为0.958和0.976,训练集相关系数分别为0.979和0.995。模型的预测性精度较高,表明利用高光谱技术,可以实现光温环境胁迫下玉米植株的定量监测,提高田间精细化管理水平,为玉米优质高产的智能化管理提供参考依据。     

轴向载荷下功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲分析

假设功能梯度材料Timoshenko梁各项物性参数只沿厚度方向按幂函数进行连续变化,研究了功能梯度材料Timoshenko梁的动力屈曲。基于一阶剪切理论,采用Hamilton原理推导出轴向载荷作用下,功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲的控制方程。利用里兹法与棣莫弗公式相结合,获得了功能梯度材料Timoshenko梁在夹支-固支边界条件下动力屈曲临界载荷的解析表达式和屈曲解。应用MATLAB编程计算,讨论了功能梯度材料Timoshenko梁的几何尺寸、梯度指数、模态数、材料构成、泊松比以及弹性模量对临界载荷的影响。结果表明:功能梯度材料Timoshenko梁动力屈曲临界载荷随梁长度的增大而减小,随着梯度指数的增大而减小,随模态数的增大而增大,说明冲击载荷越大,高阶模态越容易被激发;随着泊松比和弹性模量的增大而增大,且泊松比的影响较小,而弹性模量的影响较大。由于剪切项的影响,临界载荷-临界长度的关系曲线在加载端变化趋势平缓。随着模态数的增大,梁的屈曲模态越为复杂。     

硼胁迫下不同柑橘砧木叶片物质组成及结构的FTIR表征

硼作为高等植物必需的微量元素,从缺乏到过量的范围很窄,因此缺硼和硼毒害导致作物产量及品质下降等问题一直是国内外关注的重点。以不同柑橘砧木(枳橙和枳壳)为材料,利用傅里叶红外光谱(FTIR)探讨低硼及高硼胁迫对不同砧木叶片物质组成和结构的影响及其差异。结果表明：(1)低硼及高硼胁迫均抑制了柑橘砧木地上部的生长,高硼时枳壳砧木叶片出现典型的硼中毒现象,而枳橙砧木叶片则无明显的硼毒症状,表明枳橙砧木比枳壳砧木更耐高硼胁迫;(2)低硼胁迫时,枳壳砧木叶片缺失1 153,1 053和1 028 cm-1三个特征峰,而枳橙砧木叶片仅缺失1 055 cm-1一个特征峰,且两种砧木叶片其他特征峰的相对吸光度较正常硼处理整体增加,表明缺硼导致枳壳砧木叶片纤维素糖苷及可溶性糖、核糖的结构发生变化且含量增加,仅改变枳橙砧木叶片可溶性糖的结构。因此,低硼胁迫对枳壳砧木影响大于枳橙砧木;(3)高硼胁迫时,枳壳砧木叶片1 153和1 053 cm-1两个特征峰消失,增加1 622 cm-1处特征峰;枳橙砧木叶片缺失1 024 cm-1处特征峰,且其他特征峰的相对吸光度较正常处理整体降低,表明高硼改变枳壳砧木蛋白质、可溶性糖等碳水化合物的结构且含量减少,而枳橙砧木仅核糖的结构发生变化,说明高硼对枳壳砧木叶片多糖结构的影响大于枳橙砧木。因此,枳橙砧木比枳壳砧木更耐低硼和高硼胁迫,硼对不同砧木物质组成和结构的效应差异是其中一个关键因子。